Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 13
1.1 Рациональное кормление коров и использование корнеклубнеплодов в рационах животных 13
1.2 Анализ и классификация машин для измельчения корнеклубнеплодов 18
1.3 Состояние исследований процесса измельчения корнеклубнеплодов 42
1.4 Цель работы и задачи исследований 55
2 Теоретические исследования технологического процесса резания корнеклубнеплодов 56
2.1 Обоснование и разработка конструктивно-технологической схемы предлагаемого измельчителя корнеклубнеплодов 56
2.2 Обоснование технологических параметров измельчающего устройства 58
2.3 Обоснование параметров второй ступени измельчения 61
2.3.1 Обоснование основных конструктивных параметров второй ступени измельчения 61
2.3.2 Обоснование частоты вращения рабочего органа второй ступени измельчения 68
2.3.3 Определение затрат мощности на измельчение корнеклубнеплодов второй ступенью 75
2.4 Эффективность процесса измельчения 106
Выводы по второму разделу 107
3 Программа и методика экспериментальных исследований 109
3.1 Программа экспериментальных исследований 109
3.2 Общая методика экспериментальных исследований 110
3.3 Методика исследований физико-механических свойств корнеклубнеплодов 114
3.3.1 Методика исследований размерно-массовых характеристик 114
3.3.2 Методика исследования прочностных свойств корнеклубнеплодов 116
3.3.3 Методика исследования коэффициентов трения корнеклубнеплодов по различным поверхностям 122
3.4 Методика лабораторных исследований процесса резания корнеклубнеплодов двухступенчатым вальцово-ножевым измельчающим устройством 126
3.4.1 Методика лабораторных исследований мощности, производительности и показателей качества 127
3.4.2 Методика исследования оптимальных параметров измельчающего устройства 133
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 138
4.1 Физико-механические свойства корнеклубнеплодов 138
4.1.1 Размерно-массовые характеристики 138
4.1.2 Результаты исследования прочностных свойств корнеклубнепдлодов 138
4.1.3 Результаты исследования коэффициентов трения корнеклубнеплодов о различные поверхности 148
4.1.4 Результаты исследования процесса резания двухступенчатым вальцово-ножевым измельчающим устройством 157
Выводы по четвертому разделу 161
5. Производственная проверка устройства для измельчения корнеклубнеплодов. технико экономическая оценка эффективности его внедрения 165
5.1 Результаты производственной проверки измельчающего аппарата 165
5.2 Оценка экономической эффективности применения измельчителя корнеклубнеплодов 169
Выводы по пятому разделу 175
Заключение 176
Список литературы 178
- Анализ и классификация машин для измельчения корнеклубнеплодов
- Обоснование основных конструктивных параметров второй ступени измельчения
- Методика исследований размерно-массовых характеристик
- Результаты исследования коэффициентов трения корнеклубнеплодов о различные поверхности
Анализ и классификация машин для измельчения корнеклубнеплодов
Современное скотоводство России - наиболее крупная отрасль животноводства. Она дает 99% молока и 55% мяса валового производства. С повышением материального и культурного уровня населения спрос на продукцию КРС будет только возрастать [73]. Особенностью современного производства продукции животноводства является достижение полной реализации их наследственного потенциала. Имеющийся потенциал продуктивности коров из-за нарушений технологических регламентов содержания, кормления и доения реализуется только на 40...60% [146].
При этом необходимо учитывать такие факторы как уровень кормления, подбор кормов, структура рациона, режим кормления и многие другие факторы. Изменяя уровень и режим кормления, набор и соотношение кормов в рационе, можно воздействовать на весь обмен веществ, формировать желательный тип животного, способного к высокой молочной или мясной продуктивности [131,139]. Только рациональное, нормированное кормление с использованием современных достижений науки и практики в полной мере может обеспечить высокую продуктивность животных, повысить качество животноводческой продукции и снизить ее себестоимость [25].
Важное значение имеет для повышения полноценности кормления животных правильно организованный летом зеленый конвейер и заготовка высококачественных кормов на зиму [25]. Основные компоненты рациона коров в летний период - зеленые корма; в зимний период - сено, сенаж, силос, корнеклубнеплоды и в качестве балансирующего компонента - комбикорма. Для восполнения недостающих элементов питания и повышения биологической ценности рационов в них включают минеральные добавки, витаминные препараты или премиксы [73,124]. Традиционные рационы кормления с многокомпонентным набором кормов не соответствуют современным требованиям, интенсификации и специализации животноводства. Требуется разработка новых технологий производства кормов, кормоприготовления и кормления сельскохозяйственных животных [25].
Известно, что тип кормления и физико-механические свойства кормов оказывают большое влияние на качество получаемой продукции. При определении типа кормления и набора элементов питания в рационах животных необходимо ориентироваться на местные корма, имеющих низкую себестоимость [73,124]. При составлении рационов необходимо учитывать сочетание кормов и последовательность их выдачи.
В практике нашли применение три основных технологий кормления КРС [18,20,85,143,161]: первая технология предусматривает скармливание кормовых компонентов раздельно или покомпонентно; вторая - кормление полнокомпонентной смесью в зимний период и поочередное кормление зелеными и концентрированными кормами в летний период и третья - круглогодовое дефференци-рованное кормление животных полнорационными кормосмесями, приготовленными в мобильных измельчителях-смесителях-раздатчиках кормов.
При первой технологии сначала раздают сочные и грубые корма, а затем на них насыпают концентрированные. Это дает возможность выборочного поедания кормов скотом, что приводит к потерям сочных и грубых кормов до 15...20 %. Потребляемые раздельно концентрированные корма повышают кислотность в рубце коровы и это приводит к заболеванию животных. Выдача тщательно перемешанной полнорационной кормосмеси к повышению кислотности среды рубца не приводит, при этом улучшаются показатели воспроизводства, здоровья и молочной продуктивности коров, снижаются потери кормов [158].
При второй технологии полнокомпонентную кормосмесь готовят в стационарных кормоцехах, типа КОРК-15, а затем ее раздают в кормушки животным [85,161]. Третья технология предусматривает кормление полноценными кормосме-сями, приготовленными в мобильных многоцелевых агрегатах, совмещающих процессы измельчения, смешивания и дозированной раздачи кормов [85,161].
Наибольшее количество высококачественного и дешевого молока можно получать только при полноценном кормлении коровы. Отдельные корма по-разному влияют на молочную продуктивность, поэтому кормление коров должно быть разнообразным. Неполноценное однообразное кормление ухудшает качество молока: вкус, состав, технологические свойства [142].
На эффективность усвояемости кормов большое значение оказывают способы их подготовки и переработки: измельчение и смешивание грубых и сочных кормов с добавлением концентрированных, углеводистых, азотосодержащих или минеральных добавок; термохимическая обработка грубых кормов; плющение зерна; введение фосфоросодержащих добавок; приготовление полнорационных кормосмесей. Наиболее эффективным приемом является приготовление полнорационных кормосмесей из предварительно приготовленных компонентов и добавок, позволяющее повысить продуктивность животных на 18...24% [146,166].
Наиболее распространенным типом кормления КРС является силосно-корнеплодно-концентратный с разным количеством корнеклубнеплодов и концентратов в зависимости от вида и уровня продуктивности животных [25].
Корнеклубнеплоды являются ценным источником молокогонного корма для сельскохозяйственных животных, особенно в зимний стойловый период и относятся к группе сочных кормов. При высоком уровне агротехники корнеклубнеплоды с единицы площади дают в урожае больше питательных веществ (сбор питательных веществ с единицы площади до 100-150 ц к.е. с одного га площади), чем другие кормовые растения - травы и зерновые. С корнеклубнеплодами может конкурировать только кукуруза [25].
Обоснование основных конструктивных параметров второй ступени измельчения
При изменении угла трения от 20 до 50 погрешность не превышает 5%. В соответствии с зоотехническими требованиями для крупного рогатого скота размер измельченных корнеклубнеплодов должен находиться в пределах 10... 15 мм [25,88,89,90,101,109,122,134,140,142,151,163,167]. В соответствии с этим шаг h2 расстановки ножей должен быть в пределах, обеспечивающих зоотехнические требования (рисунок 2.5). Количество ножей найдем по формуле [124]: где h 2 - предварительно принятое расстояние между лезвиями двух соседних ножей, м; z2 -предварительное количество ножей второй ступени, шт. - валец; 2 - нож Рисунок 2.5 - Схема расстановки ножей
Полученное число ножей z2 округляют до ближайшего целого числа. При принятом количестве ножей z2 уточняют расстояние h2 между ножами по формуле: где h2 -расстояние между лезвиями ножей второй ступени измельчения, м; z2 - количество ножей во второй ступени измельчения, шт. Центральный угол dm, определяющий расстановку ножей во второй ступени, найдем по формуле: где ат - центральный угол, определяющий расстановку ножей во второй ступени измельчения, град. 2.3.2 Обоснование частоты вращения рабочего органа второй ступени измельчения Из условия неразрывности потока 2ЮМ1 = Єизм2 = п[ \$Жі, (2.38) V 4 ) где d2 - диаметр вала привода второй ступени измельчения, м; Зк2 - скорость движения корнеклубнеплодов при входе во вторую ступень измельчения, м/с; рк2 -насыпная плотность корнеклубнеплодов после измельчения в первой ступени измельчения, кг/м . Для гарантированного заполнения объема, ограниченного днищем, образующей кожуха, а также ножевой решеткой, необходимо, чтобы корнеклубнеплоды успевали за время последовательного прохождения двух соседних вальцов переместиться на расстояние L2 (рисунок 2.3). За это время рабочий орган второй ступени измельчения с двумя вальцами повернется на половину оборота (рисунок 2.5). Это время можно определить из соотношения:
Необходимая скорость корнеклубнеплодов определится из формулы: Приближенное значение гидравлического радиуса отверстия, через которое корнеклубнеплоды поступают во вторую ступень измельчения найдем из выражения [90,167]: где ат -длина гидравлического радиуса отверстия, м; вт - ширина гидравлического радиуса отверстия, м. Из рисунка 2.6 расстояние \ЛЦ = ат « Z) (2.42) Рассмотрим треугольник 001В (рисунок 2.6). По теореме Пифагора:
Существенное влияние на производительность второй степени измельчения (формула 2.10) оказывает толщина слоя Н2, захватываемая одним вальцом. При постоянном диаметре D2 камеры измельчения толщину слоя можно увеличить только за счет изменения конструкционных параметров вальца, и в первую очередь, за счет увеличения диаметра вальца dB . Из рисунка 2.6 видно, что из конструкционных соображений во второй ступени измельчения можно установить не более двух вальцов. Для максимального использования конструктивных параметров второй ступени измельчения принимаем два вальца, то есть zB=2 шт.
Подставим выражение(2.48) в (2.51), а выражение (2.51) в (2.53). После преобразования получим выражение: Выражение (2.54) позволяет определить максимальную частоту вращения рабочего органа второй ступени измельчения на основе принятых конструкционных параметров, а также физико-механических свойств и технологических свойств измельчаемых материалов из условия полного заполнения камеры второй ступени измельчения.
Выразим L2 из выражения (2.54). После преобразования получим соотношение для определения максимально эффективного использования длины ножей
Кольцевой объем, ограниченный условными границами АВВіАі, до подхода следующего вальца, должен быть полностью заполнен. Если перед прохождением вальца камера второй ступени измельчения была полностью заполнена, то для заполнения объема ABBiAi корнеклубнеплоды движутся через две условные границы AAi и АВ. Через условную границу AAi корнеклубнеплоды движутся к границе ВВь Движение корнеклубнеплодов осуществляется соскальзыванием вдоль наклонной образующей AiC конуса. Определим скорость движения корнеклубнеплодов через границу ААь Спроектируем скорость и2к вдоль наклонной образующей AiC (рисунок 2.8):
Необходимо учитывать, что для обеспечения заданной технологической производительности (формула 2.10) увеличение длины ножей L2 приводит к необходимости ограничения частоты вращения рабочего органа второй ступени измельчения.
Определение затрат мощности на измельчение корнеклубнеплодов второй ступенью Затраты энергии во второй ступени измельчения складываются из затрат энергии на подвод продукта в зону измельчения, затрат энергии на процесс резания, затрат энергии на проталкивание измельченного продукта между ножами, затрат энергии на выгрузку измельченных корнеклубнеплодов, которые можно определить из выражения: N2=KOR2+Nv2+N_2 + N (2.70) где N2 - мощность, затрачиваемая во второй ступени измельчения, Вт; Л подг -мощность, затрачиваемая на подвод корнеклубнеплодов в зону защемления, Вт; 7Vp2-мощность, затрачиваемая на процесс резания во второй ступени измельчения, Вт; NBblT2 - мощность, затрачиваемая на выгрузку измельченных корнеклубнеплодов, Вт; N -мощность, затрачиваемая на холостой ход во второй ступени измельчения, Вт. Определим величину каждой из составляющих мощности, входящих в выражение (2.70).
Мощность, затрачиваемая на подвод продукта к ножам во второй ступени измельчения складывается: где Nn2 -мощность, затрачиваемая на подвод корнеклубнеплодов вальцами в зону защемления, Вт; Nu2 -мощность, затрачиваемая на подвод корнеклубнеплодов в зону защемления под действием центробежных сил, Вт. Находящиеся над конусом 3 (рисунок 2.9) корнеклубнеплоды за счет центробежных сил и под действием вальцов 1 перемещаются в зону защемления 2 к ножам 4.
Перед перемещением измельчаемый материал занимает объем, образованный вращением вокруг оси 001 треугольника СААі (рисунок 2.10).
На этапе подачи в зону защемления корнеклубнеплоды взаимодействуют с вальцом 1 (рисунок 2.9) по дуге С2А2. С ростом значения L2 при опускании корнеклубнеплодов вдоль оси OZ величина давления корнеклубнеплодов на валец увеличивается. Усилие взаимодействия корнеклубнеплодов с вальцом определим по выражению:
Методика исследований размерно-массовых характеристик
Установка для исследования коэффициентов трения покоя и движения корнеклубнеплодов о различные поверхности (сталь, сталь окрашенная, резина) представлена на рисунке 3.4 [31].
Она состоит из рамы 4 с электродвигателем 3. На валу электродвигателя 3 установлен сменный диск 1 с исследуемой поверхностью. Над диском 1 на направляющих 7 расположена подвижная тележка 8. К подвижной тележке 8 через блок 6 подвешена грузовая чашка 5. От перемещения подвижная тележка удерживается пружиной 14 с винтовым механизмом 13.
Проводим тарировку установки. Задаем предварительное натяжение пружины 14 при помощи груза 5 (смотри рисунок 3.4). Удлинение пружины 14 компенсируем винтовым механизмом 13, возвращая тележку 8 в нулевое положение относительно оси вращения диска 1. Затем последовательно нагружаем грузовую чашку 5 от 0,5 до 3,5 кг с шагом 0,5 кг, каждый раз возвращая тележку 8 в нулевое положение. Величину удлинения пружины 14 контролируем по положению указателя 12 на шкале 11. График тарировки представлен в приложении Г. Градуиро-вочную характеристику К установки определим по формуле: а - схема установки; б - общий вид установки 1 - диск с исследуемой поверхностью; 2 - частотный преобразователь; 3 -электродвигатель; 4 - рама; 5 - грузовая чашка; 6 - блок; 7 - направляющие; 8 -тележка с исследуемыми корнеклубнеплодами; 9 - груз; 10 - прижимная пластина; 11 - шкала; 12 - указатель; 13 - винтовой механизм; 14 - пружина Рисунок 3.4 - Установка для исследования коэффициентов трения
По результатам тарировки установки строим график К = /(ALnp) изменения К установки от приращения AL показаний по шкале. Для исследования коэффициентов трения готовим корнеклубнеплод на 1...2 мм меньше внутренних размеров тележки 8: длина / =0,066 (м); ширина bw =0,033(м); высота hw =0,033(м). Опытный образец корнеклубнеплода взвешиваем на весах BJIKT-500gM и замеряем габаритные размеры штангенциркулем.
Помещенный в тележку 8 корнеклубнеплод прижимается к поверхности сменного диска 1 под действием силы тяжести, веса прижимной пластины 10 и груза 9. При этом происходит полный контакт корнеклубнеплода с поверхностью сменного диска 1. Предварительно были подготовлены три диска с различными поверхностями трения (сталь, сталь окрашенная, резина).
Определение коэффициента трения скольжения о поверхность проводили в следующем порядке: 1. Помещали предварительно подготовленный корнеклубнеплод в тележку и нагружали прижимной пластиной и грузом. 2. Винтовым механизмом совмещали центр тележки с центром вала вращения диска. 3. Включали частотный преобразователь «Веспер» Е2-8300 и частотой тока задавали необходимую частоту вращения электродвигателя с закрепленным на его валу сменным диском. Частоту вращения диска контролируем по показаниям тахометра. Под действие силы трения тележка перемещается по направляющим в сторону вращения диска и пружина растягивается. 4. Винтовым механизмом совмещали центр тележки с центром вала вращения диска. 5. По шкале указателя фиксируем величину удлинения AL пружины, которую заносим в журнал. 6. Эксперимент проводим в пятикратной повторности для каждого кор неклубнеплода с последующей сменой диска при разной частоте вращения и ве личины груза [68].
Частота вращения п диска прибора изменялась от 3,68 до 5,52 с" с шагом 0,46 с" . Величина груза в тележке менялась от 0,4 до 1,4 кг с интервалом 0,25 кг.
В ходе лабораторных исследований двухступенчатого измельчающего устройства определяли влияние конструкционно-режимных параметров на производительность, энергоемкость и качество выполняемого процесса в соответствии с требованиями Двухступенчатое измельчающее устройство должно обеспечивать заданную технологическую производительность с минимальными удельными затратами энергии при соответствии качества измельченных корнеклубнеплодов зоотехническим требованиям [30,36,47,88,94,95,117,132].
На основе обзора научных исследований, априорной информации в качестве критерия оптимизации была принята удельная энергоемкость процесса
Удельный расход энергии определяем по выражению (2.219). Показатели качества процесса измельчения корнеклубнеплодов были определены [17,88,94,95,116,132,160]: - фракционный состав, оцениваемый графиком распределения толщины частиц, %; - средний взвешенный размер в полученных частичек, м; - критерий Код однородности, %; - потери Пс сока, %. Методика лабораторных исследований мощности, производительности и показателей качества Исследование процесса резания корнеклубнеплодов двухступенчатым измельчающим устройством проводились на установке, включающей установленные на раме 23 аппараты первичного и вторичного резания со своими приводами и контрольно-измерительной аппаратурой (рисунки 3.5 и 3.6). Определение производительности, мощности и показателей качества проводилось в следующей последовательности: 1. Через загрузочную горловину 16 заполняем корпус измельчающего устройства корнеклубнеплодами и в течение эксперимента поддерживаем на постоянном уровне. 2. Частотными преобразователями задаем необходимую частоту вращения вала рабочего органа. 3. Включаем привод рабочего органа. Частоту вращения вала контролируем тахометром.
Результаты исследования коэффициентов трения корнеклубнеплодов о различные поверхности
В результате модернизации у пользователя технологической линии (сельскохозяйственного предприятия) изменятся следующие статьи текущих издержек (статьи калькуляции при расчете себестоимости продукции):
Заработная плата основных производственных рабочих с отчислениями на социальные нужды определяется по формуле: коэффициент, учитывающий выплаты стимулирующего и компенсирующего характера, равен 1,25; к0 - коэффициент, учитывающий оплату очередных (ежегодных) отпусков из расчета продолжительности отпуска 24 рабочих дня принять в размере 1,0854; kc - коэффициент, учитывающий обязательные отчисления по установленным нормам органами социального страхования, пенсионного фонда, государственного фонда занятости и медицинского страхования, 1,3. При этом необходимо учесть, что на откорме рабочие заняты 148 часов технологического времени и 74 часа подготовительно-заключительного времени, то есть:
Показатели экономической эффективности от внедрения измельчающего устройства корнеклубнеплодов представлены в таблице 5.2.
В результате дополнительных капитальных вложений в размере 55,59 тыс. рублей фактический экономический эффект от внедрения измельчающего устройства составит 38,78 тыс. рублей за счет снижения затрат энергии и повышения качества измельченных корнеклубнеплодов на 11,6% и как следствие, увеличение выхода валовой продукции (привесы у откормочного поголовья КРС). Срок окупаемости предлагаемого измельчителя составит 1,76 года.
Производственные испытания экспериментального измельчителя корнеклубнеплодов на МТФ в колхозе-племенном заводе имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области подтвердили его работоспособность в производственных условиях, конструктивная схема признана перспективной и может служить основой для разработки промышленного образца.
Выводы по пятому разделу:
1. Производственная проверка двухступенчатого измельчающего устройства подтвердила работоспособность и показатели производительности, мощности и качества измельчаемого материала для откормочного поголовья крупного рогатого скота.
2. Предложенное измельчающее устройство имеет улучшенные показатели качества по критерию однородности измельчения (в базовом варианте 56,7%, в проектном варианте - 95,9%) за счет регламентированного размещения по кольцу плоских ножей во второй ступени.
3. Производственная проверка измельчителя в колхозе-племенном заводе имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области подтвердила работоспособность предложенного решения при измельчении картофеля для откормочного поголовья крупного рогатого скота, при этом производительность составляла 0,8 кг/с, установленная мощность 4,85 кВт.
1. Уточненная классификация измельчителей корнеклубнеплодов и анализ научных исследований позволили разработать новую конструкцию измельчающего устройства корнеклубнеплодов с вальцовым подпором, позволяющего получать ломтики заданной толщины (патент РФ №2288571) и удовлетворяющего зоотехническим требованиям. - длины ножей (2.31) и толщины слоя, захватываемого одним вальцом (2.29) от диаметра рабочей камеры и конструктивного коэффициента, определяемого по выражению (2.32); - частоты вращения рабочего органа второй ступени устройства для измельчения корнеклубнеплодов (2.54); - сил (2.145), действующих на корнеклубнеплод со стороны ножевой решетки с учетом физико-механических свойств измельчаемых материалов (коэффициенты трения, модуль упругопластических деформаций) и условий резания (угол заточки, толщина, ширина и шаг расстановки ножей, скорость резания) (2.192); - затрат мощности на второй ступени измельчения (270) и процесс активного резания (2.198), удельного расхода энергии (2.219) в зависимости от конструктивных и режимных параметров измельчающего устройства и некоторых физико-механических свойств измельчаемых корнеклубнеплодов.
Результаты экспериментальных исследований свойств корнеклубнепло дов позволили установить: - зависимости напряжения сжатия тсж от относительной деформации є от нуля до 0,25...0,35 (момент разрушения) имеют вытянутую S-образную форму; - при увеличении относительной деформации є от нуля до 0,12...0,15 на блюдается линейный рост модуля упругоплатсических Е3; при изменении є от 0,12...0,15 до 0,25...0,35 модуль упру го пластических деформаций увеличивается на 10...20% (свекла, морковь вдоль волокон) или после кратковременного роста на 9...10% (картофель, морковь поперек волокон) резко снижается с последующим разрушением целостности образца; поверхностям имеет максимальное значение / = 0,55...0,68 при давлении в зоне контакта 4,0...4,1 кПа и скорости до 3 = 2,58м/с, при увеличении давления от 4,1 до 6,4 кПа и росте скорости выше 2,58 м/с значение / уменьшается в 1,03-1,19 раз за счет выделения сока.
Производственная проверка измельчающего устройства в колхозе племенном заводе имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области под твердила эффективность предложенного решения при измельчении картофеля для откормочного поголовья крупного рогатого скота, при этом производительность составляла 0,8 кг/с, установленная мощность 4,85 кВт.
