CC BY
12
УДК 631. 363.2
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА РЕЖУЩЕГО ТИПА
Е. Н. Перетягин, ст. преподаватель; В. А. Анисимов, канд. техн. наук, доцент,
ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ,
ул. Героев Хасана, 113, г. Пермь, Россия, 614025
E-mail: penpia@yandex.ru
Аннотация. Исследования проведены на экспериментальном измельчителе фуражного зерна режущего типа на кафедре технического сервиса и ремонта машин ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ. Для этого был реализован трёхфакторный трёхуровневый эксперимент. В качестве критериев оптимизации приняты: удельная энергоёмкость ЕУ, кВт^ч/т; производительность Q, т/ч; средний размер измельчённого зерна dср, мм. В качестве факторов выбраны: частота вращения ножевого конуса n, мин-1; угол наклона ножевого конуса в, град.; угол наклона лезвия фрезы а, град. В качестве измельчаемого материала использовался ячмень со средней влажностью 12,4%. Обработка результатов проводилась на персональном компьютере с использованием программы STATGRAPHICS Plus v.5.1. Экспериментальные исследования на предложенном измельчителе режущего типа показали, что минимальные затраты энергии составляют ЕУ=0,98 кВт^ч/т измельчённого зерна при значениях факторов а=22,520, в=69,490, n=240,26 мин-1. При этом средний размер измельчённого зерна при указанных значениях факторов составил dср=1,68 мм., а производительность 114 кг/ч.
Ключевые слова: измельчитель, зерно, энергоёмкость, фураж, резание, производительность, ножевой конус, противорежущее кольцо, защемление.
Введение. Измельчение кормов, особенно зерновых компонентов, облегчает действие на них пищеварительных соков и ферментов, в результате чего повышается перевариваемость и усвояемость питательных веществ. Измельчение зерна повышает продуктивность животных на 10...15% [2].
В настоящее время в сельскохозяйственном производстве при измельчении зерновых материалов широко используются молотковые дробилки. Им присущи большой расход электроэнергии (до 15 кВтч/т), вызванный трением зерна о решето и большим числом неэффективных ударных нагружений по зерну, большая доля пылевидных фракций (до 30%), неоднородность измельчённого продукта, быстрый износ деталей дробилки (молотки, решета, деки) [7, 3].
Высокая энергоёмкость процесса при производстве комбикормов для животных объясняется тем, что для этого в основном используются машины ударного действия. При измельчении зерна такими машинами в рабочей камере образуется кольцевой слой зерна и измельчённых частиц, приводящий к тому, что затрудняется вывод зерновых частиц требуемого разме-
ра из рабочей камеры, что приводит к переизмельчению материала [10].
В исследованиях по измельчению зернофуража просматриваются следующие направления:
- снижение энергоёмкости процесса измельчении;
- оптимизация параметров рабочих органов и процесса;
- поиск новых способов измельчения.
В школах профессоров В. И.Сыроватка и В. Р. Алёшкина для снижения энергоёмкости процесса исследования были направлены на оптимизацию процесса измельчения и параметров рабочих органов с использованием эффекта Ребиндера [9, 10]. Основным недостатком этих исследований является невозможность снижения пылевидных частиц зернофуража в готовом продукте из-за длительного пребывания продукта в дробильной камере [4, 10].
Появившиеся работы [7, 11, 12, 13, 14, 15] в области снижения энергоёмкости процесса измельчения - замена измельчения ударом по зерну резанием со скольжением и скалыванием.
Анализ работ позволил сформулировать следующие направления исследований:
- измельчать материал до той степени, которая необходима для дальнейшей его переработки или использования;
- частицы измельчённого зерна должны свободно и немедленно удаляться из зоны измельчения;
- уменьшить число циклов деформаций разрушения зерна за счёт использования рабочих органов, потребляющих минимальное количество энергии;
- устранить повторное воздействие рабочих органов на измельчённый материал;
- не допускать переизмельчения;
- снижать скорость разрушения зерновки.
Представленная работа позволяет обосновать способ измельчения зерна резанием, позволяющим частично решить проблему снижения энергоёмкости процесса приготовления кормов на животноводческих фермах и снижения себестоимости продукции.
Методика. С целью снижения энергоёмкости при измельчении фуражного зерна предложен и изготовлен экспериментальный измельчитель режущего типа (рис. 1) [5].
Рис 1. Схема экспериментального измельчителя фуражного зерна: 1 - измельчающий узел; 2 - загрузочный бункер; 3 - редуктор; 4 - электродвигатель; 5 - рама
Измельчитель работает следующим обра- измельчения корпуса 9 с противорежущими
зом (рис. 2). Из загрузочного бункера 4 фу- элементами 8, где захватывается ножевым ко-
ражное зерно поступает в загрузочную каме- нусом 7 с лезвиями 2. ру 3, в которой шнеком 6 перемещается в зону
а) б)
Рис. 2. Измельчающий узел: а) - схема; б) общий вид; - кольцевой зазор; 1 - выгрузная камера; 2 - лезвия ножевого конуса; 3 - загрузочная камера; 4 - загрузочный бункер; 5 - приводной вал; 6 - подающий шнек; 7 - ножевой конус; 8 - противорежущие элементы корпуса; 9 - корпус измельчителя
В начале измельчения в верхней части корпуса 9 защемляются и режутся крупные зёрна, затем, при вращении ножевого конуса 7 частицы перемещаются в нижнюю часть измельчающего узла, и вследствие уменьшения угла защемления между рабочими поверхностями происходит их доизмельчение до требуемых размеров. Ножевой конус к приводному валу 5 крепится посредством гайки и шпоночного соединения, поэтому, перемещая его вдоль вала, имеется возможность изменять кольцевой зазор для обеспечения требуемых размеров измельчённого материала.
Глубина пазов противорежущих элементов 8 корпуса 9, так же как и глубина впадин между лезвиями 2 ножевого конуса 7 в ниж-
ней части отсутствует, т. е. равна нулю. Это позволяет получить готовый продукт, не содержащий целых зёрен. Так как в зону измельчения шнеком непрерывно подаётся зерновой материал, который воздействует как нагнетатель, измельчённая масса в зоне измельчения не задерживается и не переизмельчается, следовательно, доля пылевидной фракции очень мала.
В конструкции применён наименее энергоёмкий способ измельчения зернового материала - резание.
Основные рабочие органы измельчителя состоят из сменных противорежущих колец и сменных ножевых конусов (рис. 3), характеристики которых представлены на рис. 4.
Рис. 3. Основные рабочие органы экспериментального измельчителя: а) - комплект сменных противорежущих колец; б) - комплект сменных ножевых конусов
Рис. 4. Конструктивные характеристики рабочих органов: а) - противорежущего кольца; б) - ножевого конуса; в - угол наклона конуса, а - угол наклона лезвия фрезы
Для исследования эффективности измельчения выполнен трёхфакторный трёхуровневый эксперимент. Исследуемые факторы: частота вращения ножевого конуса -п=100, 200, 300 мин- ; угол наклона ножевого
конуса - в=650, 700, 750; угол наклона лезвия фрезы - а=150, 30°, 450.
Методика исследований соответствовала стандарту Ассоциации испытателей сельскохозяйственной техники и технологий [8],
при этом контролировались значения частоты вращения ножевого конуса, мощность на холостом ходу и при нагрузке, результаты ситового анализа [6].
Критерии оптимизации: ЕУ - удельная энергоёмкость, кВтч/т; dСp - средний размер измельчённого зерна, мм; Q - производительность измельчителя, т/ч.
Результаты. В качестве измельчаемого материала использовался ячмень со средней влажностью 12,4%. Обработка результатов эксперимента проведена на персональном компьютере с использованием программы STAT-
GRAPHICS Plus v.5.1 [1]. Результаты эксперимента представлены на рис. 5, 6, 7.
Из графиков следует, что наибольшее влияние на размер частиц оказывает угол наклона лезвия фрезы, в меньшей степени угол наклона ножевого конуса. Частота вращения на размер измельчённого зерна оказывает наименьшее влияние. По результатам обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии:
d = -74,7919 - 0,016663а + 2,25762/3 --0,000217778n - 0,0163644[в2 (1)
Рис. 5. Зависимость среднего размера измельчённого зерна от исследуемых факторов: а) - зависимость от угла наклона лезвия; б) зависимость от угла наклона конуса; в) зависимость от частоты вращения
Причина такого характера изменения размера измельчённого зерна следует искать в угле защемления, при увеличении которого зерновой материал медленнее проходит через измельчающую камеру и, соответственно, лезвия ножей и противорезов интенсивнее воздействуют на зерновку. Однако при этом
увеличивается доля пылевидной фракции, т. к. процесс резания частично переходит в процесс истирания.
Анализ показал, что наибольшее влияние на производительность при измельчении оказывает частота вращения ножевого конуса (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость производительности экспериментального измельчителя от исследуемых факторов: а) - зависимость от угла наклона лезвия; б) зависимость от угла наклона конуса; в) зависимость от частоты вращения
Для производительности получено уравнение регрессии, в котором исключен фактор а в связи с незначительным влиянием.
д = -9,81278+0,2809ф+0,00237167п -- 0,00200444-^-0,0000288333^ (2)
При увеличении угла наклона ножевого конуса производительность уменьшается,
Е к]
Еу,—
31
21 11
1
-9
Изменение частоты вращения оказывает меньшее влияние на удельную энергоёмкость, а наибольшее влияние оказывает угол наклона лезвия фрезы.
Анализ экспериментальных данных позволил получить уравнение регрессии для удельной энергоёмкости, в котором из-за незначительного влияния исключен фактор п:
Еу = 8904,66 - 20,66 а - 249,888-р + + 0,132873 а2+0,225591 аф+ 1,76147-р2 (3)
Угол наклона ножевого конуса влияет на энергоёмкость потому, что при его изменении изменяется и кольцевой зазор, что влияет на количество зернового материала, который поступает в зону измельчения.
Полученные значения удельной энергоёмкости значительно меньшие, чем в серийно выпускаемых молотковых дробилках, достигаются за счёт надреза (концентратора напряжений), который образуется в зерновке от одновременного нагружения лезвиями (защемлением) с обеих сторон. Это приводит к обра-
потому что в зону измельчения попадает меньше зерновок, и их движение вдоль лезвий происходит только за счёт частоты вращения.
Анализ затрат энергии на измельчение (рис. 7) выявил, что наименьшие значения получаются при грубом помоле, с увеличением степени измельчения расход энергии увеличивается.
зованию трещины, которая растёт со скоростью большей скорости движения лезвия «ножа», что приводит к хрупкому разрушению. Надрезы-концентраторы инициируют процесс хрупкого разрушения, которое приводит к снижению удельных энергозатрат на процесс измельчения.
Выводы. Проведённый факторный эксперимент на измельчителе режущего типа выявил следующее. Удельные затраты энергии составили ЕУ=0,98 кВтч на 1 т измельчённого зерна при следующих значениях факторов: угол наклона лезвия фрезы а=22,520; угол наклона ножевого конуса Р=69,490; частота вращения ножевого конуса п=240,26 мин-1, что в 5.. .8 раз ниже затрат удельной энергии молотковых дробилок ДБ-5, КДУ-2,0, КДМ-2,0. При этом средний размер измельчённого зерна составляет 1,68 мм., что является оптимальным для скармливания КРС. Производительность экспериментального измельчителя при указанных значениях факторов составила 114 кг/ч.
Ю б) в)
Рис. 7. Зависимость удельной энергоёмкости измельчения от исследуемых факторов: а) - зависимость от угла наклона лезвия; б) зависимость от угла наклона конуса; в) зависимость от частоты вращения
Литература
1. Андреев В. А. Использование статистического пакета Statgraphics plus v. 5.1 для обработки результатов экспериментальных исследований : метод. пособие. Киров : ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. 32 с.
2. Миронов К. Е. Приготовление кормов и физико-механические свойства зерна // Вестник НГИЭИ. 2012. № 12.С. 88-91.
3. Мишуров Н. П. Технологии и оборудование для производства комбикормов в хозяйствах : справочник. М. : ФГБНУ «Росинформагротех», 2012. 204 с.
4. Нанка О. В. Способы механического воздействия при измельчении фуражного зерна и их энергетическая оценка // Агротехника и энергообеспечение. 2014. № 1. С. 204-209.
5. Патент RU № 66979, МПК В02С 18/08. Измельчитель фуражного зерна. / В. А. Анисимов, Е. Н. Перетягин, Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Пермская ГСХА (RU) № 2007115984/22; заявл. 26.04.2007. Бюл. № 28 от 10.10.2007.
6. Перетягин Е. Н. Методика экспериментального исследования процесса измельчения зерна резанием // Аг-ротехнологии XXI века : Всероссийская науч.-практ. конф. с международным участием. (11-13 ноября 2015 г.) [материалы] : в 4 ч. Ч. 4. Пермь : Изд-во ИПЦ «Прокостъ», 2015. С. 37-41.
7. Сабиев У. К., Пирожков Д. Н., Сабиев И. У. Некоторые закономерности измельчения фуражного зерна при помощи удара лезвием // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014. № 12. С. 132-137.
8. СТО АИСТ 19.2-2008 Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей. Введ. 10.12.2010 г. Минск : Минсельхозпрод, 2010. 48 с.
9. Сыроватка В. И. Механизация приготовления кормов : справочник / В. И. Сыроватка [и др.]. М. : Агропромиздат, 1985. 368с.
10. Шагдыров И. Б. Обоснование технологического процесса измельчения фуражного зерна в трёхступенчатом измельчителе. Монография. Улан-Удэ : Издательство ФГОУ ВПО «БГСХА им. В. Р. Филиппова», 2006. 111с.
11. Budui C. Variation of the cutting force function of cutting angle of the knives from mincing device of the breaking machines for rough fodders // Actual Tasks On Agricultural Engineering-Zagreb. 38th International Symposium On Agricultural Engineering. 2010. № 38. P. 411-417.
12. Frolov V. Ju., Sysoev D. P. The Evaluation of Efficiency of Using Technologies for Preparation and Distribution of Fodder at Small Farms // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Т. 7. № 1. С. 1264-1271.
13. Lyukshin V. S., Barsuk A. V., Fazleev R. R. capacity and strength of single grinding grains // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 6. Сер. «6th International Scientific Practical Conference on Innovative Technologies and Economics in Engineering». 2015. P. 12-47.
14. Savinykh P., Bulatov S., Nechaev V., Mironov K., Zavivaev S. Badania eksperymentalne rozdrabniaczna bi-jakowego do ziarna okreslenie wplywu konstrukcyjnych cech na charakterystyk^ technologicznq // Problems of intensification of animal production including environment protection and alternative energy production as well as biogas. Materialy na konferencje. Warszawa : Instytut Technologczno-Przyrodniczy w Falentfch. 2016. Vol. XXII. P. 195-202.
15. Susyev W. A., Savinykh P. A., Оdegov W. A., Zabolotsky I. J. Wyniki badan eksperymentalnych w celu okreslenia optymalnych parametrow pracy dwustopniowego zgniatacza ziarna // Materialy na konferecje/Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska istandardow ue. Warszawa, 2004. P. 441-446.
VALIDATION OF GRAIN MILL PARAMETERS OF CUTTING TYPE
E. N. Peretyagin, Senior Lecturer V. A. Anisimov, Cand. Tech. Sci, Associate Professor Perm State Agro-Technological University 113, Geroev Khasana St., Perm, 614025, Russia E-mail: penpia@yandex.ru
ABSTRACT
The article deals with the research of experimental forage grain mill of cutting type that was carried out on the Department of Technical Service and Machinery Repair of the Perm State Agro-Technological University. For this purpose, three-factor experiment on three levels was implemented. The following criteria of optimization were accepted: energy density EY; capacity Q, h/t; mean size of milled grain dср, mm. The following factors were chosen: frequency of rotation of a knife cone n, min-1; tilt angle of a knife cone P, deg.; tilt angle of a mill edge a, deg. Barley with average moisture of 12.4% was used as a milled material. The results were processed on personal computer in STATGRAPHICS Plus v.5.1 program. The experimental study on the cutting mill revealed that minimal energy consumption is equal to EY=0.98 kW^h/t of milled grain when factor values are a=22.520, p=69.490, n=240.26 min-1. Furthermore, a mean size of milled grain under above-mentioned values amounts to dcp=1.68 mm, capacity - 114 kg/h.
Key words: mill, grain, energy density, forage grain, cutting, capacity, knife cone, shear ring, pinching.
References
1. Andreev V. A. Ispol'zovanie statisticheskogo paketa Statgraphics plus v. 5.1 dlya obrabotki rezul'tatov eksperi-mental'nykh issledovanii (Application of Statgraphics plus v. 5.1 statistical package for processing the results of experimental study), metod. posobie, Kirov, FGBOU VPO Vyatskaya GSKhA, 2012, 32 p.
2. Mironov K. E. Prigotovlenie kormov i fiziko-mekhanicheskie svoistva zerna (Fodder preparation and physic-mechanical properties of grain), Vestnik NGIEI, 2012, No. 12, pp. 88-91.
3. Mishurov N. P. Tekhnologii i oborudovanie dlya proizvodstva kombikormov v khozyaistvakh (Technologies and equipment for mixed fodder production on farms), spravochnik, Moscow, FGBNU «Rosinformagrotekh», 2012, 204 p.
4. Nanka O. V. Sposoby mekhanicheskogo vozdeistviya pri izmel'chenii furazhnogo zerna i ikh energeticheskaya otsenka (Methods of mechanical impact and their energetic assessment in forage grain milling), Agrotekhnika i energoo-bespechenie, 2014, No. 1, pp. 204-209.
5. Anisimov V. A., Peretyagin E. N. Patent RU No. 66979, MPK V02S 18/08. Izmel'chitel' furazhnogo zerna (Forage grain mill), Zayavitel' i patentoobladatel' FGOU VPO Permskaya GSKhA, (RU) No. 2007115984/22, zayavl. 26.04.2007, Byul. No. 28 ot 10.10.2007.
6. Peretyagin E. N. Metodika eksperimental'nogo issledovaniya protsessa izmel'cheniya zerna rezaniem (Method of experimental study of grain milling process of cutting type), Ag-rotekhnologii XXI veka, Vserossiiskaya nauch.-prakt. konf. s mezhdunarodnym uchastiem (11-13 noyabrya 2015 g.), v 4 ch., Ch. 4, Perm', Izd-vo IPTs «Prokost"», 2015 ,pp. 37-41.
7. Sabiev U. K., Pirozhkov D. N., Sabiev I. U. Nekotorye zakonomernosti izmel'cheniya furazhnogo zerna pri pomosh-chi udara lezviem (Certain principles of grain forage milling by edge impact), Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrar-nogo universiteta, 2014, No. 12, pp. 132-137.
8. STO AIST 19.2-2008 Sel'skokhozyaistvennaya tekhnika. Mashiny i oborudovanie dlya prigotovleniya kormov. Por-yadok opredeleniya funktsional'nykh pokazatelei (STO AIST 19.2-2008 Agricultural technical equipment. Machines and equipment for fodder preparation. Method for determining functional indices), Vved. 10.12.2010 g., Minsk, Minsel'khozprod, 2010, 48 p.
9. Syrovatka V. I. et al. Mekhanizatsiya prigotovleniya kormov (Mechanization of fodder preparation), spravochnik, Moscow, Agropromizdat, 1985, 368 p.
10. Shagdyrov I. B. Obosnovanie tekhnologicheskogo protsessa izmel'cheniya furazhnogo zerna v trekhstupenchatom izmel'chitele (Validation the technological process of forage grain milling in a three-step mill), monografiya, Ulan-Ude, Iz-datel'stvo FGOU VPO «BGSKhA im. V. R. Filippova», 2006, 111 p.
11. Budui C. Variation of the cutting force function of cutting angle of the knives from mincing device of the breaking machines for rough fodders, Actual Tasks On Agricultural Engineering-Zagreb. 38th International Symposium On Agricultural Engineering, 2010, No. 38, pp. 411-417.
12. Frolov V. Ju., Sysoev D. P. The Evaluation of Efficiency of Using Technologies for Preparation and Distribution of Fodder at Small Farms, Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 2016, T. 7, No. 1, pp. 1264-1271.
13. Lyukshin V. S., Barsuk A. V., Fazleev R. R. Sutting capacity and strength of single grinding grains, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 6, Ser. «6th International Scientific Practical Conference on Innovative Technologies and Economics in Engineering», 2015, pp. 12-47.
14. Savinykh P., Bulatov S., Nechaev V., Mironov K., Zavivaev S. Badania eksperymentalne rozdrabniaczna bi-jakowego do ziarna okreslenie wplywu konstrukcyinych cech na charakterystyk^ technologiczn^, Problems of intensification of animal production including environment protection and alternative energy production as well as biogas, Materialy na konferencje, Warszawa, Instytut Technologczno-Przyrodniczy w Falentfch, 2016, Vol. XXII, pp. 195-202.
15. Susyev W. A., Savinykh P. A., Odegov W. A., Zabolotsky I. J. Wyniki badan eksperymentalnych w celu okreslenia optymalnych parametrow pracy dwustopniowego zgniatacza ziarna (), Materialy na konferecje, Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska istandardow ue, Warszawa, 2004, pp. 441-446.
УДК 621.22.1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА
С. В. Пьянзов, аспирант; П. А. Ионов, канд. техн. наук, доцент;
С. А. Величко, канд. техн. наук, доцент; А. М. Земсков, канд. техн. наук,
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
им. Н.П. Огарёва»,
ул. Российская, 5, г. Саранск, Россия, 430904 E-mail: serega.pyanzov@yandex.ru
Аннотация. На кафедре технического сервиса машин ФГБОУ ВО «НИ МГУ им. Н. П. Огарёва» разработано устройство для оценки технического состояния объемного гидропривода. В настоящее время техническое состояние объемного гидропривода определяется параметрами работоспособности (заявленными заводами-изготовителями) одним из которых является разви-
