Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Смирнов Роман Александрович

• Смирнов Роман Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов Роман Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Состояние проблемы и задачи научных исследований

1.1 Требования к приготовлению кормов из корнеклубнеплодов.

Постановка задачи исследований

1.2. Анализ конструкций существующих измельчителей корнеклубнеплодов

1.3. Обзор научных исследований рабочего процесса измельчения корнеклубнеплодов

1.4. Задачи исследований

2 Теоретическое обоснование конструкционной схемы измельчителя

2.1 Исследование скользящего резания при измельчении корнеклубнеплодов

2.2 Исследование условий резания клубня горизонтальным ножом

2.3 Выводы

3 Программа и методика экспериментальных исследований

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.2 Приборы и оборудование

3.3 Экспериментальные установки

3.4 Методика экспериментальных исследований

3.4.1 Методика определения угла защемления

3.4.2 Методика определения усилия резания

3.4.3 Методика определения рабочих характеристик измельчителя корнеклубнеплодов

3.5 Методика планирования и проведения экспериментов, статистической обработки результатов эксперимента и определения оптимальных параметров измельчителя корнеклубнеплодов

4 Результаты экспериментальных исследований

4.1 Результаты однофакторных экспериментов по изучению условий

защемления клубня

4.2 Результаты однофакторных экспериментов по изучению процесса

резания клубней

4.3 Оптимизация рабочего процесса измельчителя корнеклубнеплодов

4.4 Результаты апробации измельчителя корнеклубнеплодов в хозяйстве

4.5 Выводы

5 Технико-экономическая и энергетическая эффективности применения измельчителя корнеклубнеплодов

5.1 Характеристика вида перерабатываемого сырья, анализ рынка и выбор базы сравнения

5.2 Расчет технико-экономических показателей

5.3 Энергетическая эффективность применения измельчителя

5.4 Механизация измельчения корнеклубнеплодов

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

Приложение М

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для производства животноводческой продукции используются различные виды кормов: грубые, сочные, концентрированные, ферментированные. В силу некоторых преимуществ [1, 24, 39, 68. 69] (высокая урожайность, легкая усвояемость, хорошая поедаемость, благотворное влияние на физиологическое состояние животных) ценным видом сочных кормов являются корнеклубнеплоды. При переработке корнеплодов, в том числе подготовке к скармливанию, обязательным является их измельчение.

Согласно зоотехническим требованиям корнеклубнеплоды измельчают до частиц 10...15 мм для крупного рогатого скота, 5...10 мм для свиней и 4...5 мм - для птицы [25, 32, 49, 50]. Однако анализ существующих на сегодняшний день измельчителей показал, что они отличаются большой энергоемкостью, сложностью конструкции, невысокой производительностью. Измельченный в большей части таких машин корм не соответствует зоотехническим требованиям, являя собой кашеобразное состояние, что ведет к потере сока и питательных веществ.

Поэтому предлагаемая работа, направленная на разработку и исследование измельчителя корнеклубнеплодов, позволяющего получать корм, соответствующий зоотехническим требованиям, для всех групп животных с минимальными энергозатратами, является актуальной.

Степень разработанности темы. Изучение процессов измельчения и конструкций измельчителей неоднократно проводилось многими авторами: Бойко В., Босым Е. С., Бремергом Г. И., Василенко И. Ф., Горячкиным В. П., Ермичевым В. А., Желиговским В. А., Зябловым В. А., Ивашковым А. А., Кононовым Б. В., Кузьмовым Н. Т., Куктой Б. М., Курдюмовым В. И., Ли-пинским В. И., Мейлахс И. И., Мещеряковым Б. В., Мишинским В. И., Мянде А. Э., Некрашевичем В. Ф., Новиковым Г. И., Прокопцевым П. И., Резником Н. Е., Сабликовым М. В., Титенком А. В., Тищенко И. И., Улановым И.А.,

Ядревским А. П. и др. Из анализа научных работ ясно, что усилие резания и мощность, затрачиваемая на него, зависят от большого числа факторов, в некоторых случаях отсутствует единое однозначное мнение о влиянии отдельных факторов на процесс резания корнеплодов, а процесс измельчения корнеклубнеплодов нуждается в дополнительных исследованиях.

Цель работы. Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов для приготовления кормов к скармливанию животным и птице в условиях фермерских хозяйств, обеспечивающего снижение энергетических и материальных затрат (потери кормов) и повышение качества продукта.

В связи с поставленной целью в настоящей работе решались следующие научно-практические задачи:

- разработать конструкционное решение измельчителя корнеклубнеплодов для фермерских хозяйств;

- провести теоретические исследования резания при измельчении корнеклубнеплодов;

- теоретически определить оптимальные условия защемления клубня;

- экспериментально определить оптимальные параметры и режимы работы измельчителя корнеклубнеплодов;

- разработать рекомендации по использованию измельчителя корнеклубнеплодов;

- провести апробацию измельчителя корнеклубнеплодов в хозяйстве.

Объекты исследования: процессы резания и защемления корнеклубнеплодов.

Предмет исследования: влияние угла защемления и параметров корнеклубнеплодов на энергоёмкость рабочего процесса измельчения.

Научная новизна:

- разработан измельчитель корнеклубнеплодов для использования в фермерских хозяйствах. Новизна измельчителя подтверждена патентами РФ

№ 2545819 на изобретение «Измельчитель корнеклубнеплодов» и № 140129 на полезную модель «Измельчитель кормов»;

- получено аналитическое выражение: (2.4) для определения оптимальной величины угла наклона стенки бункера (угла защемления корнеплода), обеспечивающего минимальное соковыделение;

- выведена аналитическая зависимость (2.30) для определения режущей силы в зависимости от параметров измельчаемого клубня;

- экспериментально получены уравнения (2.32), (2.33) для определения режущей силы в зависимости от частоты вращения ножа:

- построен теоретический профиль кромки горизонтальных ножей в зависимости от его окружной скорости (рис. 2.10);

- получены математические модели (4.5), (4.6), (4.7), анализ которых позволил зафиксировать следующие оптимальные значения параметров измельчителя: угол резания горизонтальных ножей у = 45°, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость резания Ур = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для птицы; угол резания горизонтальных ножей у = 25°, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Ур = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для КРС; угол резания горизонтальных ножей у = 35°, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Ур = 10 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для свиней.

Практическая значимость работы.

- использование разработанного измельчителя в фермерских хозяйствах, позволяет повысить на 10.15% производительность труда при подготовке корнеклубнеплодов к скармливанию для животных и птицы, а также снизить на 5.10% энергоемкость рабочего процесса;

- расчетный годовой экономический эффект от применения измельчителя корнеклубнеплодов в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области в сравнении с прототипом - измельчителем ИКП-1,5 составит 23397 руб/год.

Реализация результатов исследований:

- экспериментальный образец измельчителя апробирован в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области и рекомендован к внедрению.

Степень достоверности подтверждена: использованием потенциала Центра энергоаудита с лабораторией энергетических обследований, организованных в Нижегородском государственном инженерно-экономическом университете; сертифицированных Госстандартом РФ поверяемых в установленном порядке средств измерения, а также результатами экспериментальных исследований и апробацией измельчителя в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области.

Положения, выносимые на защиту:

- конструкционное решение измельчителя корнеклубнеплодов;

- результаты теоретических исследований резания корнеклубнеплодов;

- результаты теоретического определения оптимальных условий защемления клубня;

- результаты экспериментального определения оптимальных параметров и режимов работы измельчителя;

Апробация. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях в Нижегородском государственном инженерно-экономическом университете (г. Княгинино, 2011...2017 гг.), в ВНИИМЖ (г. Подольск, 2014 г.), на 18-й Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 2013 г.); «Современное общество, образование и наука» в ООО «Консалтинговая компания Юком» (г. Тамбов, 2014 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе: четыре работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, патенте на изобретение и патенте на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Объем диссертации составляет 159

страниц машинописного текста. Работа содержит 8 таблиц, 51 рисунок и 11 приложений. Список литературы включает 113 источников.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору П. А. Савиных, доктору технических наук, профессору А. В. Алешкину, доктору технических наук, профессору Оболенскому Н.В., кандидату технических наук, доценту С. Ю. Булатову, сотрудникам Нижегородского государственного инженерно-экономического университета за помощь и полезные советы при выполнении работы.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Требования к приготовлению кормов из корнеклубнеплодов.

Постановка задачи исследований

Рациональное использование кормов, направленное на повышение продуктивности животных, крайне важно для животноводческой отрасли.

С целью увеличения количества и повышения качества кормов сельхозтоваропроизводители ищут пути интенсификации кормопроизводства. Особое внимание уделяется увеличению объёма сырья для производства кормов с единицы площади земельных угодий при минимизации затрат на единицу корма. Поэтому важнейшим сырьём в кормоприготовлении являются корнеклубнеплоды [101]. Согласно проведенным исследованиям [39] их урожайность в 2.3 раза выше, чем зеленых кормов и зерновых культур, в 1,4 раза выше, чем кукурузы. Корнеплоды в меньшей степени реагируют на изменение климатических условий, обладают высокой питательностью и хорошей поедаемостью животными, наличием большого количества питательных веществ. Перевариваемость корнеклубнеплодов животными составляет 80.90%, так как основная часть питательных веществ находится в легкоусвояемой форме [39].

Многочисленными экспериментами доказано, что корнеклубнеплоды способствуют усвоению различными группами животных и других кормов, повышается переваримость грубых и концентрированных кормов, наблюдается сбалансированность кормовых рационов по содержанию минеральных солей [24].

Кроме того, корнеплоды благотворно влияют на физиологическое состояние животных при смене вида содержания, первые месяцы лактации животных [1].

Перед скармливанием животным корнеклубнеплоды предварительно обрабатывают. Согласно зоотехническим требованиям корнеклубнеплоды очищают от посторонних примесей (загрязненность не должна превышать 2%), измельчают до частиц 10.15 мм для крупного рогатого скота, 5.10 мм для свиней и 4.5 мм - для птицы [25, 32, 49, 50]. Измельчение должно производиться непосредственно перед скармливанием. Это связано с тем, что измельченный корм быстро окисляется [33].

Как показывают исследования ученых, корнеклубнеплоды рационально использовать в смесях со стебельчатыми кормами, и при их правильном соотношении наблюдается наиболее полное использование питательных веществ животными [22].

Подготовка корнеклубнеплодов к скармливанию может осуществляться по нескольким технологическим схемам [55, 99, 109, 112]:

1) прием ^ мойка (сухая очистка) ^ выдача;

2) прием ^ мойка (сухая очистка) ^ измельчение ^ выдача;

3) прием ^ мойка (сухая очистка) ^ измельчение ^ смешивание ^ силосование ^ выдача;

4) прием ^ мойка ^ запаривание ^ измельчение ^ выдача;

5) прием ^ мойка ^ измельчение ^ сушка ^ выдача;

6) прием ^ мойка ^ измельчение ^ фракционирование ^ выдача.

Анализ существующих технологий переработки картофеля показывает,

что практически во всех технологических линиях присутствует его измельчение. Для этого используют измельчители корнеклубнеплодов, к которым на сегодняшний день предъявляются жесткие требования: готовый продукт должен соответствовать зоотехническим требованиям, размеры, масса, стоимость машины и энергозатраты при измельчении должны быть минимальны,

а производительность стремиться к максимальному значению. Лишь при выполнении всех требований измельчитель будет конкурентоспособным на рынке. Поэтому перед разработкой, модернизацией или исследованием измельчителя необходимо провести анализ существующих машин.

1.2. Анализ конструкций, существующих измельчителей

корнеклубнеплодов

Корнеклубнеплоды можно измельчить тремя способами: резанием, комбинированным ударом и скоблением [100]. Наибольшее распространение при подготовке корнеклубнеплодов к скармливанию получило измельчение резанием. Для его осуществления чаще всего используют машины с измельчающими органами в виде дисков. Рассмотрим конструкции некоторых из них.

Известен универсальный измельчитель кормов, который состоит из основания 1 (рис. 1.1), дробильной камеры 2, боковых ножей 3, крестообразного ножа 4, вала 5, съемных внутренних боковых накладок 7 и сменных решет 8, двух направляющих 9 для закрепления съемных решет 8, шинковок 10 и съемного рукава 11, съемного бункера 12 с шибером 13. Для измельчения сочных кормов в измельчителе предусмотрен съемный нож 14, имеющий дополнительные вертикальные ребра 15 [82].

Конструкция измельчителя позволяет измельчать различные сельскохозяйственные культуры: зерновые, сочные корма и корнеплоды

При измельчении корнеплодов снимают боковые накладки 7, устанавливают шинковку 10 и нож 14. Корнеплоды подают в бункер 12, с помощью шибера 13 регулируют подачу материала. В дробильной камере 2 корнеплоды режутся боковым 3 и основным 4 ножами. Измельченная смесь поступает в рукав 11. Степень измельчения регулируется зазором между вращающимся

ножами 3 и 4. Недостатком данной схемы является повышенное соковыделе-ние из-за переизмельчения корнеплодов и невозможность резать корнеплоды ломтиками [82].

Еще одним универсальным измельчителем является устройство для

Рисунок 1.1 -Универсальный измельчитель кормов по патенту № 94042038: 1 - основание; 2 - дробильная камера; 3 - боковые ножи; 4 - крестообразный нож; 5 - вал; 7 - съемные накладки; 8 - сменные решета; 9 - направляющие; 10 -шинковка; 11 - съемный рукав; 12 - съемный бункер; 13 - шибер; 14 -съемный нож; 15 - дополнительные вертикальные ребра

измельчения сельскохозяйственной продукции, разработанное М. Г. Минга-леевым и Н. С. Кривошеевым [79].

При измельчении корнеплодов и зеленой массы снимают днище 15 (рис. 1.2), на посадочную площадку 14 вала 6 устанавливают ножи. Заслонкой 21 полностью перекрывают окно 3, производят загрузку корнеплодов в

бункер и включают электродвигатель 5. Вывод готовой продукции производится через лоток 18.

Согласно описанию изобретения [79], корнеплоды после переработки имеют вид пластинок.

А

Рисунок 1.2 - Устройство для измельчения сельскохозяйственной продукции по патенту № 2252073 РФ: 1 - станина; 2 - бункер; 3 - окно; 4 - сито; 5 - электродвигатель; 6 - вал; 7 - ударная пластина; 8 - гайка; 10, 11 - шкив; 12 - ременная передача; 13 - подшипники 9 - отверстие; 14 - посадочная площадка; 15 - съемное днище; 16 - вырез; 17 - перегородка; 18 - лоток; 19 - мембрана; 20 - отверстие; 21 -заслонка; 22 - пластина; 23 - окно для зерна; 24 - перегородка; 25 - крышка; 26 - отверстием для засыпки зерна; 27 - отверстия перфорации; 28 - шпилька; 29 - шнур; 30 - дно; 31 - защитный козырек

Таким образом, к недостаткам данного устройства можно отнести невозможность измельчать корнеплоды на ломтики и переизмельчение материала.

На Муромском машиностроительном заводе Галаниным С. Н., Гание-вым В.П. и Качеваном В.А. разработана конструкция устройства для измельчения корнеклубнеплодов [75]. Оно состоит из корпуса 1 (рис. 1.3), присоединенного к фланцу электродвигателя 2, на валу 3 которого установлены нижний 4 и верхний 5 горизонтальные диски. В диске 5 сделаны отверстия с выполненными над ними ножами 6 и 7. Для выгрузки измельченного продукта сбоку к корпусу установлен выгрузной патрубок 8. На корпус 1 установлен бункер 9 с установленными в нем ловителями 10 и 11. Под ловителем 11 закреплен противорез 12. При работе установки корнеклубнеплоды загружают в бункер 9, движутся между ловителями 10 и 11 и, попадая на вращающийся диск 5, измельчаются ножами 6 и 7 около противореза 12. Отрезанные кусочки через отверстия под ножами проваливаются, попадая на диск 4 и выбрасываясь в патрубок 8.

Рисунок 1.3 - Устройство для измельчения корнеклубнеплодов по а. с. № 2058712: 1 - корпус; 2 -электродвигатель; 3 - вал; 4 -диск нижний; 5 - диск верхний; 6, 7 - ножи; 8 - патрубок выгрузной; 9 - бункер приемный; 10,11 - ловители; 12 - противорез

Недостатками рассмотренного измельчителя является невысокая производительность, невозможность резания крупных корнеклубнеплодов, а также измельчение корнеплодов только стружкой. Аналогичный рассмотренным выше, А. П. Блажко предложен измельчитель [72], особенностью которого является конструкция

ножей для измельчения различной сельскохозяйственной продукции, в результате чего, по словам автора, повышается производительность устройства [72]. Установка состоит из корпуса 1 (рис. 1.4), внутри которого смонтирован

Рисунок 1.4 - Измельчитель по патенту № 68 9211 - корпус; 2 - наклонный элемент; 3 - стакан; 4 - электродвигатель; 5 - карман; 6 - съемная крышка; 7 -вентиляционная решетка; 8 - сито; 9 - измельчительная камера; 10 - измельчающий орган; 11, 12 - нижняя и верхняя крышки; 13 -загрузочный бункер; 14 - заслонка; 15 - возвратная пружина; 16 - выгрузной патрубок; 17 - уголок; 18 - лопасть; 19 - нож; 20 - пластина; 21 - терки

наклонный элемент 2. К элементу 2 присоединен стакан 3, которой крепится к фланцу электродвигателя 4 с углом наклона вала относительно вертикали 17.19°. К стакану 3 прикреплено сито 8. Камера для измельчения 9 закрыта нижней 11 и верхней 12 крышками. На крышке 12 закреплен загрузочный бункер 13 с регулировочной заслонкой 14. Возвратная пружина 15 возвращает крышку 11 тем самым, защищая от вращающегося измельчительного органа 10. Выгрузка измельченного продукта происходит через выгрузной патрубок 16.

Нож 19, применяемый для измельчения корнеплодов, имеет форму пластины 20 с расположенными с одной стороны двумя терками 21. С противоположной стороны пластины 20 установлены лопасти 18.

В режиме измельчения корнеклубнеплодов устанавливают соответствующий нож 19. Крышка 11 занимает верхнее положение, заслонка 14 закрыта. Через бункер 13 и отверстие в крышке 12 в камеру измельчения 9 подают корнеплоды. Лопасти 18 ножей 19, создавая атмосферное разряжение в камере, затягивают материал. Готовый продукт из измельчительной камеры 9 поступает в выгрузной патрубок 16.

Рассмотренный измельчитель истирает корнеплоды в кашицу, тем самым повышая расход электроэнергии и способствуя выделению сока, что приводит к потере питательных веществ.

С целью повышения производительности, а также увеличения диапазона твердости измельчаемого сырья (от сочной ботвы свеклы до корней дуба) А. И. Ткаченко и В. П. Волошиным запатентован серийно выпускаемый измельчитель [76].

Особенность машины заключается в сдвоенности двух машин: для измельчения травы с одной стороны (на рис.1.5 справа) и для резки корнеклубнеплодов с другой стороны (на рис. 1.5 слева). На раме 1 (рис. 1.5) установлен привод, с левой стороны к которому смонтированы бункер 2 и механизм резки 3 корнеплодов. Справа смонтирован механизм резки трав 4 и неподвижный нож 5 с лотком 6. Вращение дисков 7 и 8 производится от двигателя 9 посредством клиноременной передачи 10. Регулирование сечки происходит за счет смещения ножей относительно друг друга.

Недостатком такой установки является сложность, а одновременный привод сразу двух дисков ведет к повышенному расходу электроэнергии при измельчении одного компонента корма

Общим недостатком рассмотренных измельчителей корнеплодов, рабочим органом в которых служит диск с ножами, является невозможность измельчать корнеклубнеплоды ломтиками.

Рисунок 1.5 - Измельчитель растительного сырья по патенту № 2 142 217: 1 -рама; 2 - загрузочный бункер; 3 - механизм резки корнеплодов; 4 - механизм резки трав; 5 - неподвижный нож; 6 - лоток; 7, 8 - диски; 9 - двигатель; 10 -клиноременная передача; 11 - ножи; 12 - накладка

Также для резания корнеклубнеплодов используют измельчители конвейерного типа и установки, рабочим органом которых является шнек.

Под руководством В. И. Курдюмова в Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии разработан измельчитель корнеплодов и бахчевых культур конвейерного типа [78].

С целью снижения энергоемкости измельчения, трудоемкости обслуживания и повышения надежности машины ими предложен измельчитель корнеплодов и бахчевых, состоящий из транспортера 1 (рис. 1.6) с установленными на нем зацепами 2, привода 3, каркаса 4, ножей 5, верхней плиты 6,

Рисунок 1.6 - Измельчитель корнеплодов и бахчевых по патенту № 2 245 023: 1 - транспортер; 2 - зацепы; 3 - привод; 4 - каркас; 5 - ножи; 6 - верхняя плита; 7 - ось; 8 - предохранительное устройство; 9 - задние боковые стойки; 10 - регулировочные тяги; 11 - загрузочный бункер; 12 - выгрузной лоток

которая может поворачиваться на оси 7. С целью предотвращения поломки машины в случае попадания камней измельчитель имеет предохранительное устройство 8. С помощью регулировочных тяг 10 выполняется регулировка угла наклона ножей 5. Для загрузки и выгрузки материала имеются загрузочный бункер 11 и выгрузной лоток 12 [78].

Рабочий процесс измельчителя протекает следующим образом. С помощью тяг 10 устанавливают необходимый угол наклона ножей 5, подают измельчаемый продукт в бункер 11. Из него корнеплоды поступают на транспортер 1, захватываются зацепами 2 и перемещаются ими, разрезаясь ножами 5. Измельченный корм выводится через выгрузной лоток 12.

Отличительной особенностью измельчителя корнеклубнеплодов, предложенным В. Г. Фариосовым, А. В., Полтавецом, В. В. Сухоруковым и А. А. Ляшенко является то, что корнеплоды не перемещаются лентой, а находятся в неподвижном состоянии в бункере 1 (рис.1.7), под которым расположен терочный механизм, включающий транспортер 2, цепи 3 и шарнирно закрепленные режущие пластины 4. В полотнах пластин выполнены прорези с режущими выступами 5 [11].

Рисунок 1.7 - Схема измельчителя по а. с. № 1496701:1 - бункер; 2 - транспортер терочный; 3 - цепь; 4 - пластина режущая; 5 - выступ режущий

При работе установки корнеплоды подают в бункер 1, включают двигатель, который приводит во вращение вал транспортера 2. Перемещаясь, выступы 5 пластин 4 срезают кусочки материала, которые проваливаются через окна прорезей и поступают в место выгрузки.

Недостатком обоих измельчителей конвейерного типа является невозможность измельчения корнеплодов ломтиками, а также большие размеры агрегатов и их высокая стоимость.

Разработаны также шнековые измельчители корнеплодов, которые предназначены для резания плодов до состояния кашицы, либо пластинками.

В Самарской ГСХА разработан универсальный шнеково-ножевой измельчитель кормов [73] с горизонтальным расположением вала.

При измельчении корнеклубнеплодов на вал 8 (рис. 1.8) устанавливают специальный нож и деку 6. Подают материал в воронку 3, где он забирается шнеком 2 и предварительно измельчается ножами 9. При приближении к выгрузному окну 5 происходит основное измельчение материала ножом 7. Далее материал выгружается, дополнительно измельчаясь противорежущими ножами деки 6.

3

Рисунок 1.8 - Универсальный шнеково-ножевой измельчитель кормов патент № 118 835:1 - корпус; 2 - подающий шнек; 3 - загрузочная воронка; 4 - двухступенчатый вертикальный редуктор; 5 - выгрузное окно; 6 - дека; 7 - измельчающий орган; 8 - вал; 9 - ножи

По заявлению авторов предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности измельчителя, повысить его пропускную способность и уменьшить энергоемкость.

На рис. 1.9 представлен измельчитель

Корнеплоды подают через горловину 2 в корпус 1, где они захватываются витками шнека 4 и перемещаются. Сначала в верхней части корпуса корнеплоды уплотняются, а в зоне рабочей камеры 3 они проталкиваются в уплотненном состоянии через кольцевые элементы 6, где происходит резание плодов. Далее готовый продукт через кольцевые зазоры выводится из измельчителя.

Наименьшая энергоемкость наблюдается при измельчении корнеклубнеплодов скоблением стружки. Таким способом может резать центробежный измельчитель корнеплодов [9], который имеет корпус 1 (рис. 1.10), загрузочный бункер 2, станину 3. Внизу корпуса расположено окно 4, а внутри установлен измельчитель 5, который имеет лопасти 6 и ребра

1

корнеклубнеплодов [7] с вертикальной осью вращения. Он имеет вертикальный корпус 1 конической формы, загрузочную горловину 2 и рабочую камеру 3. В ней установлен конический шнек 4 с приводом 5. Нижняя часть рабочей камеры изготовлена из кольцевых режущих элементов 6

Рисунок 1.9 - Схема измельчителя по а. с. № 869669: 1 - корпус вертикальный, 2 - горловина загрузочная, 3 - камера рабочая, 4 -

шнек конический, 5 - привод, 6 - элементы кольцевые режущие.

7. На станине установлены закрепленные на верхних концах осей шестернями 9 вращающиеся режущие элементы 8.

Рисунок 1.10 - Центробежный измельчитель корнеклубнеплодов, а. с. № 1050605: 1 - корпус, 2 - бункер загрузочный, 3 - станина, 4 -окно, 5 - измельчитель, 6 - лопасть, 7 - ребро, 8 - элементы режущие, 9 - шестерня, 10 - электродвигатель

Рабочий процесс измельчителя выглядит следующим образом. Корнеплоды поступают в бункер 2, далее в измельчитель. Вращаясь, измельчитель 5 создает центробежную силу, которая прижимает корнеплоды к режущим элементам 8, где происходит измельчение материала. Готовый продукт отбрасывается в пространство между корпусом 1 и режущими элементами 8, и далее лопастями 6 выбрасывается в выгрузное окно 4.

По заявлению авторов измельчитель должен обеспечить однородность измельчения, но из-за сложности конструкции и незащищенности режущих элементов от контакта с камнями либо и металлическими предметами установка становится ненадежной. Кроме того, измельчитель может резать корнеплоды только пластинками.

Интересная конструкция измельчителя корнеплодов предложена Красноярским государственным аграрным университетом. Измельчитель [77] состоит из корпуса 2 (рис. 1.11), образованного дугообразными ножами 4, загрузочной горловины 3, пневмобаллона 8. Пневмобаллон 8 зафиксирован между дисками 5 и 7. В диск 7 ввернут штуцер 14, к которому подключен

воздушный трубопровод 15. Измельченный продукт собирается в собирающей воронке 17.

Рисунок 1.11 - Измельчитель корнеклубнеплодов по патенту № 2225099: 1 - опоры; 2 - корпус; 3 - загрузочная горловина; 4 - дугообразные ножи; 5, 6, 7 - диски; 8 - пневмобаллон; 9 - прорези; 10 - камера измельчения; 11 - болты; 12 - пластины; 13 - сферический колпак; 14 - штуцер; 15 - трубопровод; 16 - полый цилиндр; 17 - собирающая воронка; 18 - лучи; 19 - стяжные болты

Установка работает следующим образом. Перед пуском установки корнеплоды загружают в загрузочную горловину 3, где они попадают через прорези 9 диска 5 в камеру измельчения 10. Далее в пневмобаллон 8 посред-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов Роман Александрович, 2018 год

Литература

1. Описание изобретения к A.c. 938827 СССР, A01F 29/06. / И.И. Тищенко. Опубл. 30.06.82. Бюл. №24.

2. Патент RU 2058712 Cl, A01F 29/00. /С.Н. Галанин. В.П. Ганцев, В.А. Качеван. Опубл. 27.04.1996. Бюл. №11.- прототип.

Формула изобретения

1. Измельчитель корнеклубнеплодов, включающий камеру измельчения с загрузочной и выгрузной горловинами и установленный на валу режущий диск с радиально расположенными окнами, в которых установлены ножи, отличающийся тем, что перед горизонтальными ножами под углом 45° к их оси установлены вертикальные ножи на периферии диска в створе загрузочной горловины.

2. Измельчитель корнеклубнеплодов по и. 1, отличающийся тем, что бункер снабжен дополнительной наклонной перегородкой, установленной с наклоном в сторону загрузочного окна, при этом ее нижний конец расположен на краю загрузочного окна.

Фиг.1

Фиг.2

I I

>

Фиг.З

Стр. 5

Стр. 2

Приложение В

Таблица В1- Матрица плана Бокса-Бенкена для 3 факторов и результаты

экспериментальных исследований процесса защемления клубня

факторы Критерии оптимизации

Зазор между

№ п/п Вылет ножа И, мм Диаметр кромкой наклон- Угол наклона

клубня ёкл, ной стенки и ре- стенки бункера

мм жущим диском Б, мм а, град

Х1 Х2 Х3 У

Верхний 20 80 40

уровень (+1)

Основной уровень (0) 15 70 30

Нижний уровень (-) 10 60 20

1 0 0 0 68

2 -1 -1 0 80

3 1 -1 0 90

4 -1 1 0 30

5 1 1 0 74

6 -1 0 -1 85

7 1 0 -1 90

8 0 0 68

9 -1 0 1 42

10 1 0 1 77

11 0 -1 -1 90

12 0 1 -1 47

13 0 -1 1 75

14 0 1 1 20

15 0 0 0 68

Analysis of Variance for a

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

A:h 1104,5 1 1104,5 32,75 0,0007

B:d 3362,0 1 3362,0 99,69 0,0000

C:S 1200,5 1 1200,5 35,60 0,0006

AA 249,28 1 249,28 7,39 0,0298

AB 289,0 1 289,0 8,57 0,0221

AC 225,0 1 225,0 6,67 0,0363

BB 198,352 1 198,352 5,88 0,0457

Total error 236,077 7 33,7253

Total (corr.) 6898,93 14

R-squared = 96,5781 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 93,1561 percent

Standard Error of Est. - 5,80735

Mean absolute error = 3,31538

Durbin-Watson statistic - 2,30876 (P-0,8309)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,164408

Regression coeffs. for a

Coefficient Estimate

constant 66,4615

А:Ъ 11.75

B:d -20.5

C:S -12,25

AA 8,15231

AB 8,5

AC 7.5

BB -7,30769

Таблица Д 1 - Матрица плана и результаты полного факторного эксперимента 2

факторы Критерии оптимизации

Х4 Х5 х6 Х7 У1 У2 У3

№ п/п Количество горизон зонталь таль-ных ножей N Скорость резания Угол наклона горизонтальных ножей а, град Угол наклона вертикаль-ных Производитель-ность Удельн ая энергое мкость процес Количе ство частиц размеро м 3.15

¥р, м/с ножей Q, кг/ч са Э, мм ©,

в, град Вт-ч/т %

Уровни

варьи- 1 9 35 45

рова- 2 10,5 45 75

ния

1 - - - - 154 259,7 40

2 + - - - 648 92,6 30

3 - + - - 178 220,1 45

4 + + - - 684 73,1 40

5 - - + - 173 255,3 53

6 + - + - 683 90,5 38,8

7 - + + - 327 91,7 32,1

8 + + + - 735 70,6 49

9 - - - + 154 260 40

10 + - - + 648 93,3 30

11 - + - + 178 223 45

12 + + - + 684 74,4 40

13 - - + + 173 258,2 53

14 + - + + 683 92,1 38,8

15 - + + + 327 93,2 32,1

16 + + + + 735 72,1 49

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Vatue

A:xl 919681, 1 919681, 1454,56 0,0000

B:x2 17689,0 1 17689,0 27,98 0,0003

C:x3 16129,0 1 16129,0 25,51 0,0004

ВС 5329,0 1 5329,0 8,43 0,0144

Total error 6955,0 11 632,273

Total (corr.) 965783, 15

R-squared = 99,2799 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 99,018 percent

Standard Error of Est. = 25,145

Mean absolute error = 17,875

Durbin-Watson statistic = 2,59206 (P=0,8519)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,391688

Analysis of Variance for у2

Source Sum of Squares Df Мест Square F-Rcitio P-Value

A:xl 62812,9 1 62812,9 143,66 0,0000

B:x2 14610,8 1 14610,8 33,42 0,0003

C:x3 4641,02 1 4641,02 10,61 0,0099

AB 6678,98 1 6678,98 15,28 0,0036

AC 4105,61 1 4105,61 9,39 0,0135

ВС 4016,39 1 4016,39 9,19 0,0142

Total error 3934,97 9 437,218

Total (corr.) 100801, 15

R-squared = 96,0963 percent

R-squared (adjusted for d.f) = 93,4938 percent

Standard Error of Est. = 20,9098

Mean absolute error = 15,6563

Durbin-Watson statistic = 2,72825 (P=0,9017)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,430071

Analysis of Variance for v3

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

C:x3 80,1025 1 80,1025 4,14 0,0667

AB 325,802 1 325,802 16,85 0,0017

AC 78,3225 1 78,3225 4,05 0,0693

ВС 165,123 1 165,123 8,54 0,0139

Total error 212,747 11 19,3407

Total (corr.) 862,097 15

R-squared = 75.3221 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 66.3483 percent

Standard Error of Est. = 4,3978

Mean absolute error = 3.2625

Durbin-Watson statistic = 3,05981 (P=0,9649)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,553966

degression coeffs. for y3

Coefficient

Estimate

constant

40,9875

C:x3

2,2375

AB AC ВС

4,5125 2,2125 -3,2125

Приложение Ж

Таблица Ж 1 - Матрица плана Бокса-Бенкена для 3 факторов и результаты экспериментальных исследований процесса резания

№ п/п факторы Критерии оптимизации

Количество го-ризон-тальных ножей# Скорость резания ¥р, м/с Угол резания горизонталь-ных ножей у, град Производитель-ность Q, кг/ч Энергоемкость процесса Э, Вт-ч/т Содержание частиц размером 3.15 мм, %

Х4 Х5 Хб У1 У2 У3

Верхний уровень (+1) 3 12 45

Основной уровень (0) 2 10,5 35

Нижний уровень (-) 1 9 25

1 0 0 0 735 72,1 49

2 -1 -1 0 173 255,3 53

3 1 -1 0 714 74,1 48

4 -1 1 0 550 87,9 64,4

5 1 1 0 724 68,3 67,5

6 -1 0 -1 178 220,1 45

7 1 0 -1 697 73,5 47,5

8 0 0 735 72,1 49

9 -1 0 1 357 92,1 59

10 1 0 1 701 79,2 52,4

11 0 -1 -1 648 92,6 30

12 0 1 -1 720 55 17,9

13 0 -1 1 662 101,2 37,3

14 0 1 1 723 61,7 76,4

15 0 0 0 735 72,1 49

Analysis of Variance for Q

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Rcitio P- Value

A:N 311261, 1 311261, 83,72 0,0000

B:Vp 33800,0 1 33800,0 9,09 0,0130

AA 144205, 1 144205, 38,79 0,0001

AB 33672,3 1 33672,3 9,06 0,0131

Total error 37178,2 10 3717,82

Total (corr.) 560116, 14

R-squared = 93,3624 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 90,7074 percent

Standard Error of Est. = 60,9739

Mean absolute error = 37,5762

Durbin-Watson statistic = 2,2578 (P=0,8044)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,148095

Analysis of Vari

anee for E

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

A:N 16227,0 1 16227,0 21 JO 0,0005

B:Vp 7831,26 1 7831,26 13,37 0,0053

AA 7082,39 1 7082,39 12,09 0,0070

AB 6528,64 1 6528,64 11,14 0,0087

AC 4468,92 1 4468,92 7,63 0,0220

Total error 5272,25 9 585,806

Total (corr.) 47410,5 14

R-squared = 88,8796 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 82,7015 percent

Standard Error of Est. = 24,2034

Mean absolute error = 15,1914

Durbin-Watson statistic - 1,35659 (P=0,2107)

Lag 1 residual autocorrelation = 0,319814

Regression coeffs. for E

Coefficient Estimate

constant 1358,14

A:N -619;046

B:Vp -74 725

Ciugol -6=685

AA 43,5554

AB 26=9333

AC 33425

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P- Value

B:Vp 419,051 1 419,051 11,76 0,0075

C:ugol 896,761 1 896,761 25Д6 0,0007

AA 367,866 1 367,866 10,32 0,0106

ВС 655,36 1 655,36 18,39 0,0020

cc 230,231 1 230,231 6,46 0,0316

Total error 320,745 9 35,6383

Total (corr.) 2934,87 14

R-squared = 89,0712 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 82,9997 percent

Standard Error of Est. - 5,96978

Mean absolute error = 3,74974

Durbin-Watson statistic = 1,09447 (P=0,0185)

Lag 1 residual autocorrelation = 0,452226

мм, зазор 8 = 28 мм. В качестве измельчаемого материала использовался картофель с диаметром клубней 45...65 мм.

В результате испытаний установлено:

1. Производительность измельчителя740...760 кг/ч;

2. Содержание частиц размером от 3 до 15 мм составляло 45...60 %;

3. Затраты электроэнергии, отнесенные к единице массы готового корма -50...65 Вт-ч/т при установленной мощности электродвигателя 0,5 кВт.

4. Качество измельченных корнеклубнеплодов соответствует зоотехническим требованиям.

5. Расчетный годовой экономический эффект от применения измельчителя корнеклубнеплодов в сравнении с прототипом - измельчителем ИКП-1,5 составляет 23397 руб.

Заключение. Измельчитель корнеклубнеплодов представляет интерес для небольших крестьянско-фермерских хозяйств, поэтому рекомендуется к серийному производству.

Полезность измельчителя корнеклубнеплодов, особенно для крупных хозяйств, многократно возрастает при механизации по схеме, рис.2

Рисунок 2 - Схема механизации процесса измельчения корнеклубнеплодов; 1,10- электродвигатель; 2 - привод; 3, 8 - бункер-приёмник; 4 - кожух; 5 - форсунки; 6 - водопроводы; 7 — шнек; 9 — механизм измельчения; 11 - гидрораспределитель; 12 - водосборник; 13 - насос высокого давления; 14 - фильтр тонкой очистки; 15 — фильтр грубой очистки; 16 — отстойник; 17 - ёмкость для готовой продукции

Заместитель директора

ЗАО «Покровская слобода» по животноводству Доцент кафедры «Технический сервис», к.т.н. Аспирант

Измельчитель корнеклубнеплодов состоит из корпуса 1 (рис.1), электродвигателя 2, ременной передачи 3, кронштейна крепления опорных подшипников 4, крышки 5, загрузочного бункера 6, дополнительной наклонной перегородки 7, выгрузной горловины 18, режущего диска 12, установленного на валу 19 и включающего диск 20 (рис.2), вертикальные 11 и горизонтальные ножи 9, которые крепятся к диску ножа 20 винтами 10, лопаток 21 и предохранительной муфты, состоящей из винта 15, прижимной 16 и посадочной 17 шайб. На режущем диске 12 выполнены радиально расположенные окна, в которых установлены вертикальные ножи 11.

Рисунок 2- Схема режущего диска с двумя горизонтальными ножами

Измельчитель работает следующим образом. Корнеклубнеплоды загружаются в загрузочный бункер 6. Под собственным весом они скатываются по дополнительной наклонной перегородке 7 к загрузочному окну 8, расположенному на периферии режущего диска 12 и через него попадают в камеру измельчения, образованную режущим диском 12 и отбойником 13. По периферии в створе загрузочной горловины 8 вращаются ножи режущего диска 12. При подходе к корнеплоду вертикальные ножи 11 делают в нем вертикальные надрезы, а идущие следом горизонтальные 9 -отрезают стружку. Расстояние между вертикальными ножами 11 определят толщину отрезаемого ломтика, а частота вращения режущего диска — его высоту. Отрезанные ломтики через радиально расположенные на режущем диске окна лопатками 21 перемещаются к выгрузному окну 14 и через выгрузную горловину 18 выводятся из камеры измельчения.

Для исследования процесса резания корнеплодов были изготовлены несколько режущих дисков с 1, 2 и 3 горизонтальными ножами (рис.3, а).

Максимальные значения углов резания горизонтальных и вертикальных ножей (рис..4, б) выбирались согласно рекомендациям.

Рисунок 3 - Режущие диски с. одним и двумя горизонтальными ножами: а-фото; б - схема расположения горизонтальных ножей Для исследования процесса защемления клубня к измельчителю было изготовлено приспособление (рис. 3.5), состоящее из кронштейна 2 и соединенной с ним посредством шарнира 3 пластины 4, имитирующей стенку загрузочного бункера.

70 а, град 50

40 с 30 20 10 0 20

......

...... > 1.....

*> "*Ч>

1, N

25 30 35 40 S, мм 50

•........• -И = 20мм; ■ ■ -11 = 15мм;

Э- — « -11 = 10 мм

Рисунок 7 - Влияние зазора Б на угол защемления клубня при ёк:л= 80 мм

а

25

■

Н

15 10

0

......

ч&ч ч .......

-<±г — -«

30 40 50 60 70 а, град 90 • -у = 55 град: ■ и -у = 50 град;

С^- — — - у = 40 град

Рисунок 8 - Влияние угла резания горизонтального ножа и угла наклона стенки бункера на силу резания

800 Q,

кг/ч Э, 5гч/| 500

400

300

200

100

-«г * ч - - - 1

* * \

9

2

- - » т ■ ••

700 800 900 и, мин"1

1200

800 Q,

кг/ч Э,

Вт-ч/т 500

400

300

200

100

• 2 ■

V

Ч 1

•R

700 800 900 я, мин1 1200

Рисунок 9 - Зависимости производительности измельчителя и его удельной энергоемкости при измельчении:

а - одним горизонтальным ножом; б- двумя горизонтальными ножами;

1 - производительность измельчителя; 2 - удельные энергозатраты

60 50 40

о4

;зо

20 ю о

■

До 15 мм 15...20 20...30 30...40

ММй?, мм мм мм

■ 115 мин-1 о

МИН '

8 мин

□ 112 8 : □ 880

МИН '

Рисунок 12 - Процентное содержание фракций картофеля при

измельчении 2 ножами

После реализации опытов по плану и обработки экспериментальных данных получены математические модели в раскодированном виде:

£ = -2211,9 + 1625,6-7У + 165,1-Ур -196,5-Л^2-61,2^-Ур; (1)

Э = 1358-619,1 - ТУ -74,7 • Ур -6,7•/ + 43,6-Л^2 + 26,9-ТУ • Ур +3,3-Ы-у, (2)

0 = 217,8-39,8-^-25-Ур -2,4-/ + 9,95-Лг2+0,9-Ур-у-ОМ /2. (3) В результате законченных научных исследований:

1. Выявлено, что для гарантированного защемления клубня между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера в разработанном измельчителе необходимо зазор Э между кромкой стенки бункера и режущим диском выполнять минимальным (8 = 20 мм), вылет ножа Ь максимальным (Ь = 20 мм), угол наклона стенки бункера при измельчении корнеклубнеплодов размером до 80 мм может быть равен 90°, а при измельчении клубней размером, свыше 80мм минимум 60°, угол резания не должен превышать 50°.

2. Выявлено, что:

а) для снижения силы резания угол наклона стенки бункера должен стремиться к 90°, угол резания горизонтальных ножей не должен превышать 50°;

б) для снижения удельных энергозатрат, увеличения производительности установки и содержания фракции измельченных корнеплодов размером до 15 мм необходимо увеличивать количество горизонтальных ножей и скорость резания.

3. Получена модель регрессии, с помощью которой определены оптимальные значения параметров, при которых обеспечивается

гарантированное защемление измельчаемых клубней: вылет ножа Ь = 19 мм, зазор Б = 28 мм, диаметр клубня (1кл = 60 мм.

4. Зафиксированы оптимальные значения настроечных параметров измельчителя: угол резания горизонтальных ножей у = 45°, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость резания Ур = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для птицы; угол резания горизонтальных ножей у = 25°, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Ур = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для КРС; угол резания горизонтальных ножей у = 35°, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Ур = 10 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для свиней.

Зав. лабораторией «Сельскохозяйственные машины, хетб^ескбе и технологическое обеспечение АПК» // / Н. Е. Гришин

Доцент кафедры «Технический сервис», к.т.

Аспирант

INSTITUTE OF TECHNOLOGY AND LIFE SCIENCES

СПРАВКА

Результаты научных исследований д.т.н., профессора ПА. Савиных, к.т.н., доцента С.Ю. Булатова и инженера P.A. Смирнова по вопросам разработки и исследования технических средств для измельчения корнеклубнеплодов при подготовке их к скармливанию крупному рогатому скоту доложены на Международных научных конференциях, проходивших в нашем институте, и опубликованы в научных изданиях.

Результаты экспериментально - теоретических исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров малогабаритного измельчителя корнеклубнеплодов для крестьянско-фермерских хозяйств, обеспечивающего снижение энергетических и материальных затрат, потерь кормов и повышения качества их приготовления, его оптимальные конструктивно-технологические параметры нашли отражение в совместном научном отчете.

KIEROWNIK

It Technoiogiczno-Przyrodriiczy

Falenty, AI. Hrabska 3 05-090 Raszyn, Poland

Department in Warsaw Rakowiecka Str. 32

Department in Poznan Biskupinska Str. 67

tel.: [phone] to 38

fax: + 48 22 628 37 63

NIP: 534 24 37 004 REGON: 142173348

02-532 Warsaw, Poland tel.:[phone] fax: [phone]

60 -463 Poznan, Poland tel.: [phone] fax: [phone]

e-mail: [e-mail] www.itep.edu.pl