CC BY
9
Improvement of extruders for preparing protein feed from sunflower seeds
Priporov Igor Evgenievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Shepelev Anatoly Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Yagyaev Emir-Pasha Rustemovich, research worker
Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina
13 Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]
In the feed industry, feed extrusion is a promising way to further improve the technology, which allows to improve the quality and nutritional benefits of feed, as well as use non-traditional components in feed recipes in order to attract new resources, reduce their cost and increase consumer benefits. The benefits of extruded feed are shown. The analysis of single and twin screw extruders is carried out, their main advantages and disadvantages are characterized. A structural and technological scheme of an improved extruder is presented, for which a patent of the Russian Federation No. 2693072 is obtained, a description of its device is given, and the technological process with its participation is considered. The difference between the proposed extruder for the preparation of sunflower meal from serial is that the feeding and pressing screws are made in the form of serially connected sections in the form of a catenoid, the joints of the sections are made in the form of a parabola according to the law of normal distribution, which allows to expand the functionality of the extruder while maintaining small dimensions .
Key words: extruder, protein feed, sunflower seeds, the law of normal distribution, improvement. -♦-
УДК 631.33.022.69
Теоретическое исследование процесса перемещения замоченных семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата
Н.П. Крючин, д-р техн. наук, профессор; Д.Н. Котов, канд. техн. наук;
О.А. Артамонова, ст. преподаватель
ФГБОУ ВО Самарский ГАУ
В статье рассмотрены закономерности протекания технологического процесса перемещения трудносыпучих семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата. Обосновано аналитическое выражение для определения объёмной подачи трудносыпучих семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата на этапе их транспортирования. Приведены графические зависимости объёмной подачи от количества и высоты вертикальных штифтов. Установлено, что с увеличением высоты вертикальных штифтов снижается сходимость результатов теоретических расчётов с данными экспериментальных исследований. Это обусловлено тем, что при высоте вертикального штифта = 20 мм и выше технологический процесс высева реализуется с неоптимальными качественными параметрами, следовательно, оптимизировать конструктивные параметры торсионно-штифтового высевающего аппарата необходимо до высоты вертикальных штифтов h2 = 20 мм. Достаточно высокая корреляция полученных в ходе исследований практических и теоретических показателей свидетельствует об адекватности алгоритма расчёта. Полученное аналитическое выражение позволяет определить объёмную подачу трудносыпучих семян торсионно-штифтовыми группами на этапе их перемещения в торсионно-штифтовом высевающем аппарате. При этом объёмная подача зависит от конструктивно-технологических параметров торсионно-штифтового высевающего аппарата и физико-механических свойства семян.
Ключевые слова: процесс перемещения, торсионно-штифтовый высевающий аппарат, объёмная подача, трудносыпучие семена.
Различные почвенно-климатические условия оказывают существенное влияние на продуктивность и успешное семеноводство бобовых трав. При этом они не всегда благоприятны для их высокопродуктивного возделывания, так как для набухания и прорастания семенам бобовых трав требуется увеличенный объём влаги [1, 2]. Поэтому для регионов с недостаточным количеством влаги в весенний период, к которым относится Самарская область, с целью повышения поле-
вой всхожести, получения дружных всходов и высоких урожаев была разработана технология посева бобовых трав замоченными семенами [3].
Однако в процессе замачивания семена бобовых трав приобретают свойство связанности, переходя в категорию трудносыпучих. Проблема высева трудносыпучих посевных материалов применяемыми высевающими аппаратами решена не в полной мере [4], так как при дозировании семян, прошедших обработку замачиванием, возможно
возникновение сводов над выходным отверстием бункера [5], а также налипание семян на рабочие органы дозирующего устройства [6, 7].
Материал и методы исследования. Для решения проблемы высева трудносыпучих семян, прошедших предпосевную обработку замачиванием, был спроектирован торсионно-штифтовый высевающий аппарат [8]. Технологический процесс работы торсионно-штифтового высевающего аппарата (рис. 1) осуществляется следующим образом.
Рис. 1 - Схема технологического процесса работы торсионно-штифтового высевающего аппарата:
1 - вал приводной; 2 - корпус высевающего аппарата; 3 - верхний сегмент (козырёк); 4 - нижний сегмент 5 - высевающая щель; 6 - торсионно-штифтовая группа (ТШГ) с вертикальными штифтами 7, 8 - воронка семяпровода; 9 - семена
В процессе истечения из бункера семена заполняют пространство между торсионно-штифтовыми группами 6, установленными на приводном валу 1 и состоящими из горизонтального штифта, пружины кручения и вертикальных штифтов 7. При вращении приводного вала 1 семена перемещаются торсионно-штифтовый группой 6 по нижнему сегменту 4 до верхнего сегмента (козырька) 3. Вертикальные штифты 7, упираясь в козырек 3, отклоняются под действием пружины, и уплотнённая масса семян перемещается до высевающей щели 5, попадая в воронку семяпровода. Разрушение сводов, препятствующих движению трудносыпучих семян через выпускное окно бункера, в разработанном высевающем аппарате осуществляется за счёт ударного воздействия на массу семян вертикальных штифтов 7 при возвращении их в верхнее положение пружиной кручения [9].
Величина и устойчивость подачи высевающим аппаратом будет определяться транспортирующей способностью или возможностью перемещения увеличенного объёма семян торсионно-штифтовыми группами 6 с вертикальными штифтами 7 на этапе их транспортировки до верхнего сегмента (козырька) 3.
Исходя из технологического процесса транспортирования трудносыпучих посевных материалов рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата, торсионно-штифтовой группой формируется перемещаемый объём семян, складывающийся из объёма семян, перемещаемых горизонтальным штифтом 1, и объёма семян, перемещаемого вертикальными штифтами 2 (рис. 2).
Объёмная подача семенного материала Q (м3/с) торсионно-штифтовой группой с вертикальными штифтами на этапе перемещения семян может быть определена по выражению:
Q = Ql + k • = 0,16 • цу + П у) •<», (1)
где Q1 - объёмная подача семян, формируемая горизонтальным штифтом торсионно-штифтовой группы, м3/с; 02 - объёмная подача, формируемая вертикальными штифтами, м3/с; k - количество торсионно-штифтовых групп, шт.;
У1 - объём семян, формируемый одним горизонтальным штифтом, м3; У2 - объём семян, формируемый одним вертикальным штифтом, м3; п - количество вертикальных штифтов, шт.; ю - угловая скорость вращения вала высевающего аппарата, с-1.
Объём семян У1, формируемый одним горизонтальным штифтом торсионно-штифтовой группы при вращательном движении, представляет собой объёмную фигуру с сечением ОАВС (рис. 2) с углом у основания у, равным динамическому углу внутреннего трения семенного материала.
Объём У1, формируемый одним горизонтальным штифтом, определяется по выражению:
V =
(I +1) • (D - d) 4
(¿1 +5) =
(2^ + С§ ^ ф - d Щ +5)2,
(2)
где ц - эмпирический коэффициент, учитывающий особенности транспортирования трудносыпучих семян;
к1 - высота торсионно-штифтовой группы, м; 5 - диаметр горизонтального штифта торсионно-штифтовой группы, м; Б - внешний диаметр сектора забора семян, м;
d - внутренний диаметр сектора забора семян, м.
Рис. 2 - Схема для определения объёма фигуры, формируемой одним горизонтальным штифтом (справа) и вертикальным штифтом торсионно-штифтовой группы (слева)
Дополнительный объём семян, перемещаемый одним вертикальным штифтом, формируется в виде фигуры Ф (DCDEF), часть объёма которой отсекается верхним сектором 3 (рис. 2).
Чтобы вычислить объём V2, выделим в этом объёме бесконечно малый элемент высотой dh. Объём выделенного элемента будет определяться по выражению:
dV = dS ■ dh = (h2 - h)2 Ctg2 у ■ Ctg а • dh, (3) где dh - высота выделенного элемента, м; dS - площадь выделенного элемента, м2; а - угол динамического откоса, формирующийся при истечении семенного материала между вертикальными штифтами, град.
Объём V2, формируемый одним штифтом, после интегрирования выражения (3) будет определяться по уравнению: (h2 -ДА)
V2 =
J (h2 - h)2 Ctg 2 у- Ctg а ■ dh =
(4)
= 1 (h23 -Да3 )Ctg2 у- Ctg а,
где АН = (Н\ + 5 + Л2) - - высота фигуры Ф (DCDEF), отсекаемая верхним сектором (козырьком), м;
к3 - высота верхнего сектора (козырька), м. Тогда объёмная подача семян 2, формируемая торсионно-штифтовыми группами, с учётом выражения (1) запишется в виде:
Q = 0,16 ■ k ((2^ + Ctg у) (D - d )(А +5)2 + + П(А2Ъ ) Ctg2 у-Ctg а)-ш.
(5)
Как видно из выражения (5), объёмная подача 2 в процессе перемещения семян торсионно-штифтовым высевающим аппаратом зависит от его конструктивно-технологических параметров и от физико-механических свойств семенного материала.
Подставим в выражение (5) конструктивно-технологические параметры торсионно-штифтового высевающего аппарата в значениях: количество торсионно-штифтовых групп k = 4; количество штифтов п = 2, 3, 4; высота торсионно-штифтовых групп Н\ = 9 мм; высота вертикальных штифтов Н2 = 5, 10, 15, 20 мм; диаметр горизонтального штифта 5 = 8 мм; высота верхнего сектора (козырька) к3 = 18 мм; внешний диаметр корпуса высевающего аппарата В = 132 мм; внешний диаметр втулки высевающего аппарата d = 64 мм; угловая скорость вала высевающего аппарата ю = 1,57 с-1.
В качестве посевного материала использовались замоченные семена донника белого однолетнего, физико-механические свойства которых в результате замачивания изменились и составили: коэффициент внутреннего трения / = 0,8; коэффициент сыпучести п = 0,5; угол обрушения а = 55°.
В соответствии с приведёнными физико-механическими свойствами замоченных семян донника белого однолетнего был определён эмпирический коэффициент, учитывающий особенности транспортирования трудносыпучих семян, составивший ц = 1,31.
Результаты расчётов представлены в виде графических зависимостей объёмной подачи 2еог от количества п и высоты вертикальных штифтов Л2. Для сравнения сходимости полученных теоретических данных приведены графические зависимости 2еХр, построенные по результатам экспериментальных исследований (рис. 3).
Анализ графических зависимостей показал высокую сходимость результатов теоретических и данных экспериментальных исследований при установке четырёх вертикальных штифтов при их высоте до к2 = 15 мм, оцениваемую коэффициентом корреляции 98 %.
При установке двух вертикальных штифтов наблюдается высокая сходимость результатов
Рис. 3 - Теоретические 0еог и экспериментальные 0еХр зависимости объёмной подачи от количества вертикальных штифтов п и высоты вертикальных штифтов ^2
до высоты вертикальных штифтов Н2 = 10 мм, оцениваемая коэффициентом корреляции 95 %.
С увеличением высоты вертикальных штифтов снижается сходимость результатов теоретических расчётов с данными экспериментальных исследований, что объясняется тем, что при высоте вертикального штифта Н2 = 20 мм и выше технологический процесс высева реализуется с неоптимальными качественными параметрами. Следовательно, оптимизировать конструктивные параметры торсионно-штифтового высевающего аппарата необходимо до высоты вертикальных штифтов Н2 = 20 мм.
Вывод. Полученное аналитическое выражение (5) позволяет определить объёмную подачу трудносыпучих семян торсионно-штифтовыми группами на этапе их транспортирования в торсионно-штифтовом высевающем аппарате. При этом объёмная подача зависит от конструктивно-технологических параметров торсионно-штифтового высевающего аппарата и физико-механических свойств семян. Адекватность полученной математической модели подтверждается данными экспериментальных исследований.
Литература
1. Ресурсосберегающая технология возделывания донника белого в лесостепи Среднего Поволжья / В.Ф. Казарин, А.В. Казарина, Л.К. Марунова [и др.]. Кинель, 2014. 28 с.
2. Медведев Г.А. Многолетние травы при орошении [Электронный ресурс] (статья). URL: http://agrolib.ru/books/item/f00/s00/ z0000043/st004.shtml.
3. Крючин Н.П., Петров А.М., Артамонова О.А. Разработка технологии предпосевной подготовки семян бобовых трав // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5. С. 99 - 102.
4. Петров А.М. Обоснование технологии высева и параметров штифтового высевающего аппарата пневматической сеялки для посева замоченных семян козлятника восточного: дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 1994. 214 с.: ил.
5. Isaev Yu. M and Semashkin N. M, Spiral-Screwing Device for Graining of Grain Material, International Journal of Mechanical Engineering and Technology 9(2), 2018. P. 622 - 628.
6. Isaev Yu. M, Kryuchin N.P, Semashkin N. M and Kryuchin A. N, Theoretical studies of movement of loose material in a dosing device, International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET) Volume 9, Issue 5, May 2018, pp. 834 - 840, Article ID: IJMET_09_05_092 Available online at.
7. Mathematical model of interaction of seeds with the internal surface of sowing block of seed drill / N.I. Seomushkin, B.G. Ziganshin, S.M. Yakhin, B.A. Gayfullin, R.E. Vlasov // Journal of Research in Science Teaching. 2012. Т. 531. С. 531.
8. Пат. №»158525 РФ. Торсионно-штифтовый высевающий аппарат / Н.П. Крючин, О.А. Артамонова, Д.Н. Котов, Е.И. Артамонов. № 2015122920/13; заявл. 15.06.2015; опубл. 10.01.2016; Бюл. № 1. 2 с.: ил.
9. Крючин Н.П., Артамонова О.А., Артамонов Е.И. Разработка торсионно-штифтового высевающего аппарата // Инновационные достижения науки и техники АПК: сб. научн. трудов. Кинель: РИО СГСХА, 2017. С. 602 - 607.
Крючин Николай Павлович, доктор технических наук, профессор
Котов Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент
Артамонова Ольга Александровна, старший преподаватель
ФГБОУ ВО «Самарский государственный аграрный университет»
Россия, 446442, Самарская область, г. Кинель, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Theoretical study of the process of soaked seeds transference by the working bodies of the torsion-pin sowing unit
Kryuchin Nikolay Pavlovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Kotov Dmitry Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Artamonova Olga Aleksandrovna, Senior Lecturer
Samara State Agrarian University
Samara State Agricultural University
2 Training St., p. Ust-Kinelsky, Samara region, 446442, Russia E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
The article discusses the patterns of the technological process of moving loose seeds by the working bodies of the torsion-pin sowing apparatus. An analytical expression is substantiated for determining the volumetric supply of hard-flowing seeds by the working bodies of the torsion-pin sowing apparatus at the stage of their transportation. Graphical dependences of the volumetric feed on the number and height of vertical pins are given. It was found that with increasing height of the vertical pins, the convergence of the results of theoretical calculations with the data of experimental studies decreases. This is due to the fact that with a vertical pin height h2 = 20 mm and higher, the sowing process is implemented with non-optimal quality parameters, therefore, it is necessary to optimize the design parameters of the torsion-pin sowing device up to the height of the vertical pins h2 = 20 mm. A sufficiently high correlation of practical and theoretical indicators obtained in the course of research indicates the adequacy of the calculation algorithm. The obtained analytical expression, which allows to determine the volumetric supply of hard-flowing seeds by torsion-pin groups at the stage of their movement in the torsion-pin sowing device. In this case, the volumetric feed depends on the structural and technological parameters of the torsion-pin sowing apparatus and the physico-mechanical properties of the seeds. The adequacy of the obtained mathematical model is confirmed by the data of experimental studies.
Key words: displacement process, torsion-pin sowing apparatus, volumetric feed, hard-flowing seeds. -♦-
УДК 636.3
Математическая физика в моделировании термопроцесса двигателя пуховычёсывающих устройств
В.А. Ротова, канд. техн. наук; Ю.А. Ушаков, д-р техн. наук, профессор;
А.П. Козловцев, д-р техн. наук, профессор
ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Пуховое козоводство остаётся одной из отраслей сельского хозяйства, в которой до сегодняшнего дня не решён вопрос полной механизации труда оператора, в том числе процесса вычёсывания пуха у коз. К перспективным направлениям совершенствования процесса чёски можно отнести усовершенствование устройства для вычёсывания, оптимизацию технологии вычёсывания пуха, снижение затрат энергии. Сжатые сроки проведения чёски пуха у коз приводят к существенной нагрузке на вычёсывающий аппарат, зачастую превышающей предельную рекомендованную нагрузку. Это вызывает нагрев и перегрев двигателя вычёсывающего устройства. В статье рассмотрена математическая модель проверки двигателя вычёсывающего устройства на нагрев с помощью уравнения математической физики. Электродвигатель любого устройства состоит из совокупности деталей и узлов, выполненных из разных материалов, обладающих различной теплоёмкостью и теплоотдачей. Базовые дифференциальные уравнения основаны на законе охлаждения Ньютона с некоторыми допущениями. Проведён анализ равномерного распределения тепла по элементам двигателя и экспоненциальное распределение. Для этих случаев с помощью решения задачи теплопроводности методами математической физики выводится функция распределения температуры в одном из направлений на длину I с течением времени /. Подтверждение данных математических моделей и дальнейший анализ данного решения позволят составить наиболее полную картину процесса нагрева электродвигателя механических устройств для чёски пуха у коз, а также выработать наиболее оптимальный режим эксплуатации устройств и их элементов.
Ключевые слова: математическая физика, уравнение теплопроводности, нагрев двигателя, чёска пуха коз.
Одной из отраслей сельского хозяйства, в которой до сегодняшнего дня остаётся нерешённым вопрос полной механизации труда оператора, является пуховое козоводство. Несомненно, козий пух обладает ценными качествами, а изделия из него пользуются широким спросом у населения
как в России, так и в зарубежных странах. Чтобы дать толчок развитию пухового козоводства, необходимо развивать возможности механизации процесса вычёсывания пуха у коз. Ведь именно процесс вычёсывания является наиболее энергоёмким, требующим от оператора чёски больших
