Совершенствование конструкции и оптимизация конструктивно-технологических параметров питающего устройства плющилки зерна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Мошонкин Александр Михайлович

• Мошонкин Александр Михайлович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мошонкин Александр Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ПЛЮЩЕНИЯ ЗЕРНА И ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор технологий приготовления концентрированных кормов

1.2 Анализ конструкций машин для плющения фуражного зерна

1.3 Конструкции и классификация питающих устройств

1.4 Технические средства для подачи зерна в плющилку

1.5 Обзор теоретических исследований по питающим устройствам

1.6 Задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПИТАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА

2.1 Обоснование необходимости совершенствования питающего устройства

2.2 Блок-схемы функционирования плющилки фуражного зерна

2.3 Исследования движения зерновки в рабочей зоне плющилки зерна

2.4 Исследования конструктивно-технологических параметров и режимов работы устройства для ввода зерна в плющилку кормов

2.5 Выводы по второму разделу

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ63

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.2 Методика экспериментальных исследований

3.2.1 Измерительная аппаратура, приборы и устройства

3.2.2. Общая методика исследований

3.3 Выбор критериев оптимизации и основных факторов процесса плющения

3.4 Краткая методика планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Исследования плющилки зерна ПЗ-1

4.2 Предварительные исследования плющилки зерна с питающим устройством

4.3 Оптимизация рабочего процесса плющилки зерна с питающим устройством

4.3.1 Исследование конструктивно-технологических параметров питающего устройства

4.3.2 Оптимизация конструктивно-технологических параметров

4.4 Выводы по четвертому разделу

5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА С ПИТАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ПЗ-1М

5.1 Использование результатов исследований в опытном образце плющилки зерна ПЗ-1М

5.2 Оценка энергетической эффективности плющилки зерна

5.3 Оценка экономической эффективности плющилки зерна

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А - Патенты на изобретения

Приложение Б - Данные по оценке адекватности модели

и значимости факторов

Приложение В - Таблица для расчётов дисперсии адекватности модели для

удельных энергозатрат

Приложение Г - Данные графиков зависимостей угла выхода частицы из межлопастного канала к расстоянию от центра вращения вальца до частицы на лопасти, при частоте вращения п = 800 мин-1

Приложение Д - Акт приёмки опытного образца плющилки зерна ПЗ-1М ФГБНУ

ФАНЦ Северо-Востока

Приложение Е - Акт приёмки опытного образца плющилки зерна ПЗ-1М ООО

«Нолинский ремонтный завод»

Приложение Ж - Акт проведения Ведомственных испытаний плющилки зерна

ПЗ-1М

Приложение З - Акт о передаче конструкторской документации питающего

устройства к плющилке зерна ПЗ-1М

Приложение К - Акт внедрения результатов законченных

научных исследований

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкции и оптимизация конструктивно-технологических параметров питающего устройства плющилки зерна»

ВВЕДЕНИЕ

Снизить издержки при производстве кормов, составляющих в себестоимости продукции животноводства 60...75 %, возможно за счет улучшения их качества, повышая переваримость и усвояемость, тем самым обеспечивая животных полноценными, сбалансированными по питательным веществам, кормами [6, 39, 42, 44, 137, 139].

Один из способов сохранения питательности и увеличения переваримости зерна - использование технологии плющения зерна, если зерно влажное то, хранение его в герметичных башнях, траншеях и рукавах, если сухое то, последующее скармливание его животным. Использование технологий и машин для их осуществления (плющилок зерна) обеспечивает снижение затрат на производство и хранение корма до 30 % и повышает привесы животных на 5... 10% при скармливании им плющеного зерна [120, 123, 124].

Проведённый анализ патентной и научно-технической литературы по исследуемой проблеме позволил определить направления исследований по совершенствованию машины для осуществления технологического процесса плющения зерна - плющилки зерна и подтвердил актуальность работ по выбранной тематике [3, 13, 15, 40, 41, 51, 63, 72].

Цель работы. Целью данной работы является повышение эффективности рабочего процесса плющилки зерна путем оптимизации конструктивно-технологических параметров её питающего устройства лопастного типа.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследования:

- разработать конструктивно-технологическую схему плющилки зерна с питающим устройством лопастного типа для подачи зернового материала в рабочую зону плющилки зерна;

- провести теоретические исследования по обоснованию оптимальной конструктивно-технологической схемы питающего устройства плющилки зерна;

- получить математические модели рабочего процесса плющилки зерна и

оптимизировать конструктивно-технологические параметры работы питающего устройства, обеспечивающего технологически необходимую подачу фуражного зерна в рабочую зону плющения;

- оценить энергетическую и технико-экономическую эффективность использования плющилки зерна с питающим устройством.

Научная новизна работы:

- конструктивно-технологическая схема плющилки зерна с питающим устройством;

- аналитические позволяющие определить траекторию движения зерновки в питающем устройстве плющилки зерна;

- математические модели рабочего процесса плющения зерна, позволяющие определить основные конструктивно-технологические параметры питающего устройства плющилки зерна.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработано питающее устройство, обеспечивающее технологически необходимую подачу фуражного зерна и за счет этого увеличивающее пропускную способность плющилки зерна и снижающее удельные энергозатраты.

Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы позволяют обосновать основные конструктивно-технологические параметры питающего устройства плющилки зерна и выявить оптимальные параметры его работы, которые могут быть использованы заводами-изготовителями данного оборудования и научно-исследовательскими учреждениями. Результаты исследований используются в: ООО «Нолинский ремонтный завод», г. Нолинск, Кировская область при модернизации плющилки ПЗ-1, разработанной в ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока (Приложение Е, К, З).

Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской государственной сельскохозяйственной академии.

Методология и методы исследований. Методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок, определяющих оптимальную конструкцию питающего устройства плющилки зерна. В соответствии с планом

исследований определяли его основные параметры при подаче фуражного зерна в рабочую зону плющилки, а так же эффективность разработанного питающего устройства, при этом проводили его экспериментальную проверку в производственных условиях, провели экономическую и энергетическую оценку плющилки зерна с питающим устройством.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным и разработанным частным методикам. При реализации, подготовке и обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента.

На защиту выносятся следующие положения:

- конструктивно-технологическая схема плющилки зерна с питающим устройством;

- аналитические зависимости для расчета технологически необходимой скорости движения материала к рабочей зоне плющения;

- математические модели рабочего процесса плющения зерна, позволяющие определить оптимальные конструктивно-технологические параметры плющилки зерна с питающим устройством;

- технико-экономическая и энергетическая эффективность использования плющилки зерна.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены на: международных научных конференциях молодых ученых, аспирантов и соискателей Вятской ГСХА (Киров, 2015 - 2019 гг.), на VIII, IX, X, XI Международных научно-практических конференциях «Наука-Технология-Ресурсосбережение» Вятской ГСХА (Киров, 2015 - 2019 гг.), на Всероссийской научно-методической конференции, посвященной 100-летию академика Д.К. Беляева (г. Иваново, 2017 г.), на международная научной конференции «Энергосберегающие агротехнологии и техника для северного земледелия и животноводства» (г. Киров, 2018 г.), на 22-й Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение производства органической продукции животноводства» ИМЖ - филиал ФГБНУ

ФАНЦ ВИМ (г. Москва, 2019 г.).

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ по теме № 27.01.01: «Разработка, исследование и оптимизация параметров оборудования для приготовления и раздачи кормов» ФГБОУ ВО Вятская государственная сельскохозяйственная академия и № гос. регистрации АААА-А16-116021950070-4 «Методы разработки и создания машин для механизации приготовления кормов» ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока.

Основные положения диссертационной работы изложены в 16 научных работах, в том числе одна в международных базах данных SCOPUS, 3 опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и двух патентах на изобретение RU №2628297, RU №2647916 (Приложение А).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 155 наименований и приложений. Работа содержит 157 страниц, 57 рисунков, 16 таблиц и 9 приложений.

Совместно с автором при выполнении отдельных разделов работы участвовал кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.А. Казаков. Кроме того, особую благодарность выражаю всему коллективу кафедры технологического и энергетического оборудования ФГБОУ ВО Вятской ГСХА, а именно кандидату технических наук, доценту П.Н. Солонщикову и аспиранту М.С. Доронину и всему коллективу лаборатории механизации животноводства ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока.

Особо автор выражает большую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору П.А. Савиных.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ПЛЮЩЕНИЯ ЗЕРНА И ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор технологий приготовления концентрированных кормов

В настоящее время рост цен на энергоресурсы приводит к необходимости совершенствования существующих и разработке новых приемов переработки и приготовления к скармливанию фуражного зерна, которое является основным компонентом концентрированных кормов.

В целом по РФ фуражное зерно занимает 50.80 % в структуре кормового баланса различных групп сельскохозяйственных животных, однако при скармливании его в не переработанном виде усвояемость питательных компонентов пищеварительными системами составляет всего 40.60 %. [5, 27, 58, 60].

При подготовке зерна к скармливанию (начиная от уборки), проводимой по различным технологиям, наиболее рациональный вариант использования технологии должен соответствовать максимальному количеству питательных веществ, которые находятся в растении и усваиваются животными, и минимальных затрат энергии на подготовку данного корма к скармливанию [18, 69, 75, 76, 141].

Известно что, технология - это процесс превращения исходного материала в материал с предварительно заданными свойствами, а применительно к фуражному зерну - это процесс получения из зернового вороха, сухого или влажного, после обмолота комбайна готового к скармливанию корма. Исходя из этого, технологию обработки зернового вороха надо строить не как сумму отдельных операций, а как единый процесс превращения зерна в корм, в каждой операции которого изменяется ряд свойств материала [53, 80].

В мировой практике комбикормового производства существует множество технологий и способов переработки фуражного зерна. Из них наиболее применяемыми методами являются поджаривание, экструдирование,

микронизация, высоко и низкотемпературная сушка зерна с последующим измельчением молотковыми дробилками, гидротермическая обработка с последующим плющением, консервирование влажного цельного зерна с последующим плющением или плющение с одновременным внесением консерванта, а также плющение сухого зерна [79, 92, 112].

Применение упомянутых способов и технологий требует использование специальных технических средств, машин, а также вспомогательного оборудования [45, 94, 98].

Одной из наиболее распространенных технологий переработки фуражного зерна является технология сушки и последующего измельчения в дробилках для подготовки высушенного зерна к скармливанию. Наиболее энергоемким процессом послеуборочной обработки фуражного зерна является сушка. Послеуборочная сушка зерна, обусловлена его повышенной влажностью в период уборки, достигающей 30 %. Зерно такой влажности очень быстро нагревается, покрывается плесенью, почти полностью теряет питательную ценность. На сушку 1 т зерна влажностью 30...35 % расходуется до 30 л жидкого топлива. Ежегодно на токах страны просушивается более 60 млн. т влажного фуражного зерна, расходуется около 2 млн. т топлива [16, 23, 28, 46, 91, 154].

При этом расход энергии на дробление высушенного зерна достигает 20.25 кВтч/т для различных видов зерновых культур. С увеличением влажности зернового материала выше 15 % энергоемкость дробления возрастает, а технологическая эффективность процесса (производительность, степень измельчения и ее стабильность) значительно снижаются. Установлено, что увеличение влажности измельчаемого дробилкой зерна с 15 % до 27 % приводит к снижению пропускной способности в 2,5.3,0 раза, степень измельчения уменьшается в 1,3.1,6 раза, а энергоемкость увеличивается с 7.9 до 21.23 кВтч/т [16, 26, 28, 52, 64, 73, 155].

Использование технологии плющения зерна является ресурсосберегающей по сравнению с традиционными методами дробления кормов.

Плющение зерна - один из рациональных способов переработки как сухого, так и влажного зерна для скармливания, при котором обеспечивается высокое качество корма.

Подготовленный для скармливания сельскохозяйственным животным корм должен отвечать зоотехническим требованиям соответствующих стандартов или технических условий на корма. Эффективность корма будет тем выше, чем больше он соответствует по своим физико-механическим свойствам и содержанию питательных веществ потребностям животных [50, 105, 110].

Концентрированные корма, содержащие большое количество питательных веществ (зернофуражные злаки, бобовые культуры, жмых и др.), перед скармливанием подвергают механической обработке - измельчению. Благодаря измельчению сырья существенно повышается общая поверхность частиц корма, что способствует лучшему пищеварительному процессу в организме сельскохозяйственных животных. Кроме этого, у зерновых и зернобобовых культур разрушается оболочка, которая препятствует воздействию пищеварительных ферментов на остальные части зерна [22, 70, 93].

Переваримость плющеного ячменя на 25.33 % больше, чем дробленого, а привесы при кормлении бычков хлопьями толщиной 0,7 мм были на 5 % больше, чем при скармливании хлопьев толщиной 2 мм. Максимальная переваримость достигается при кормлении животных измельченным зерном с абсорбционным числом (степенью измельчения) 0,9.1,0. Последнее определяется как отношение количества воды, абсорбированного 100 г зерна, помещенного в 200 г воды и перемешанного в течение 10 мин, к количеству сухого вещества, содержащегося в зерне [93].

При различных способах подготовки возможна неравномерная переработка отдельных зерен, вызванная не только их разным качеством, но и неравномерным увлажнением, которое выравнивается в процессе отволаживания, неравномерным пропариванием и т.д. [85, 142].

Физико-механические свойства зерна значительно влияют на показатели рабочего процесса плющения, причем увеличение влажности способствует

повышению пластичности материала, что должно снижать энергоемкость процесса, повышать пропускную способность и качество готового продукта. Они существенно меняются в зависимости от культуры, сорта и особенно влажности зерна. В итоге, исследования рабочего процесса плющения необходимо проводить на зерне различных культур и при различной влажности исходного материала, так как показатели процесса будут различны в зависимости от этих факторов [2, 25, 48].

Плющение и консервирование фуражного зерна, как способа подготовки к скармливанию, позволяющего значительно повысить эффективность его переработки и продуктивность животных, которым скармливаются плющеные корма, широко практикуется в Германии, Швеции, Англии, США, Венгрии, Болгарии, - в нашей стране пока применяется недостаточно.

В общем виде технология переработки зернового вороха для получения готового корма (плющеного зерна) включает в себя следующие технологические операции:

- обмолот и погрузка зерна в транспортное средство;

- транспортировка и выгрузка зерна;

- загрузка зерна в плющилку;

- плющение зерна;

- внесение и смешивание консерванта с плющенным зерном;

- отгрузка в транспорт или хранилище, загрузка в хранилище или в полиэтиленовый рукав;

- разравнивание и уплотнение полученного корма в хранилище;

- укрытие и герметизация корма.

В зависимости от производственных условий применяемой технологии эти операции могут объединяться, а некоторые меняться местами [80, 81, 83, 84, 111, 116].

В настоящее время известны следующие технологии и созданные на их основе технологические линии производства плющеного корма для различных

групп животных, как из влажного, так и сухого зернового материала, которые приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Технологии переработки фуражного зерна плющением

Технология плющения фуражного зерна с последующим внесением консерванта (для влажного зерна) в поле (рис. 1.2) представляет следующее.

Закладка на хранение и герметизация

Рисунок 1.2 - Схема производства плющеного фуражного зерна в поле

Обмолоченное зерно непосредственно в поле загружают в плющилку зерна, в которой проводят его плющение и обработку консервантом (для влажного

зерна), затем транспортируют на склад, закладывают на хранение и герметизируют. Преимуществом данной схемы является сокращение числа погрузочно-разгрузочных операций, а к недостаткам можно отнести испарение консерванта во время транспортировки корма к месту закладки, что снижает качество корма [71, 151].

Технология плющения фуражного зерна с последующим внесением в него консерванта (для влажного зерна) на стационарном пункте (рис. 1.3) в настоящее время является наиболее применяемой как для производства влажного, так и сухого плющеного корма [55, 56, 118, 133].

Транспортировка

Плющение с консервированием на стационарном пункте

Закладка на хранение и герметизация

Рисунок 1.3 - Технологическая схема производства плющеного фуражного

зерна на стационарном пункте

Рассматриваемая схема технологической линии позволяет получить высокую производительность и качество получаемого продукта за счёт применения на стационарном пункте различного вспомогательного оборудования и рациональной организации технологического процесса.

Применение данных способов переработки фуражного зерна исключает из списка технологических операций сушку, а увеличение влажности способствует снижению затрат на процесс плющения. Эксперименты по плющению влажного зерна показали, что увеличение влажности ячменя с 17 до 35 % приводит к снижению усилия на деформацию в 2,6.3,0 раза. С ростом важности зерна выше 32 % снижение усилия на деформацию происходит незначительно, что подтверждается проведенными в НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого исследованиями. У зерна влажностью, близкой к кондиционной (14 %), энергоемкость плющения различных культур значительно отличается друг от

друга. При переработке влажного зерна наблюдается большой разброс значений энергоемкости процесса плющения различных культур. При значительном увеличении влажности внутренние связи составляющих зерна ослабляются, что при плющении приводит к более быстрому разрыву не только зерновой оболочки, но и к разрушению эндосперма. Это способствует снижению энергоемкости для плющения всех фуражных зерновых культур [21].

Технология плющения и консервирования фуражного зерна в полиэтиленовый рукав («финская технология») (рис. 1.4), представляет частный случай технологии плющения фуражного зерна с последующим внесением в него консерванта на стационарном пункте и укладкой полученного таким образом корма в полиэтиленовый рукав [59].

Рисунок 1.4 - Технологическая схема производства плющеного фуражного зерна на стационарном пункте с укладкой в полиэтиленовый рукав

Вышеуказанная схема производства плющеного фуражного зерна является наиболее экономически эффективной за счёт того, что технологические операции по плющению, консервированию, укладке корма в рукав и перемещению агрегата «плющилка зерна + трактор» (привод плющилки осуществляется от трактора) по площадке по мере заполнения рукава кормом выполняет плющилка зерна.

Технология плющения сухого фуражного зерна на стационарном пункте (рис. 1.5) в настоящее время является наиболее применяемой для производства плющеного корма [148].

Транспортировка Транспортировка Смешибание

Обмолот —— на зерносушильныи — б склад — для получения — Скармлибание

комплекс и сушка и плющение комбикормаб

\

Рисунок 1. 5 - Технологическая схема производства плющеного сухого фуражного зерна на стационарном пункте

Рассматриваемая схема технологической линии позволяет получить высокую производительность и качество получаемого продукта за счёт применения на стационарном пункте различного вспомогательного оборудования, рациональной организации технологического процесса и последующим скармливанием плющеного зерна животным. Преимуществом данной схемы является исключение некоторых операции: внесение и смешивание консерванта с зерном; разравнивание и уплотнение полученного корма в хранилище; укрытие и герметизация хранилища; и непосредственное скармливание корма животным, а недостатком - присутствие наиболее энергоемкой операции, сушка фуражного зерна.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что исключение затратных операций при производстве и последующем скармливании плющеного зерна животным, либо приготовление комбикормов ведет к уменьшению энергоемкости всего процесса приготовления данного вида корма по сравнению с другими, например дробление и плющение влажного зерна с внесением консерванта.

1.2 Анализ конструкций машин для плющения фуражного зерна

Для выполнения технологических операций плющения и консервирования зернового материала разработаны и производятся устройства для их осуществления - плющилки зерна (рис. 1.6), область применения которых определяется особенностями конструкции [82, 86, 107, 109, 143, 149].

Рисунок 1.6 - Классификация устройств для плющения и консервирования

зерна

Основные производители и марки машин: вальцовые плющилки «Murska 350 S2, 700 S2, 1000 HD S2, 1400 S2x2, 2000 S 2x2» пропускной способностью 1...40 т/ч (фирма «Aimo Kortteen Konepaja Оу»,Финляндия); плющилки типа M1, M2, M2 PLUS, М300, М600 и М900 пропускной способностью 1,2...40 т/ч чешского производства (ROmiLL); серии ПЗ-1, ПЗ-2 (Россия ООО «Доза-Агро»), П3-3-П (Украина); ПВЗ-350, ПВЗ-700 (ООО «АгроПоставка»); ПЗ-10 («Лужская сельхозтехника»); «Корм-10» (ОАО «Минскоблагросервис») и др. [107, 124, 125, 126, 127, 128].

Все плющилки зерна этих фирм подразделяются на два типа: мобильные и стационарные. Для технологии плющения и консервирования зернового материала в поле производятся мобильные двухвальцовые плющилки зерна с приводом от ВОМ трактора.

Плющилки вальцовые «Murska» [124, 125] представлены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Мшгека 1400 S2x2 и 2000 S2x2 с упаковочным выходом, дополнительно с элеватором и Мшгека 1000 НО S2с элеватором

Вальцовые плющилки Мшгека разработанны специально для плющения влажного зерна (собранного на стадии молочно-восковой спелости при влажности 35.40 %, когда питательная ценность зерновых наивысшая) с одновременным консервированием, вальцовые мельницы Мшгека позволяют получать корм с высокой питательной ценностью при существенной экономии трудовых, энергетических и финансовых ресурсов, технические характеристики плющилок фирмы «Мшгека» представлены в таблице 1.1 [107, 124, 125].

Таблица 1.1 - Технические характеристики плющилок фирмы «Мшгека»

Наименование показателя Модель

Мшгека 2000 Б2х2 Мшгека 1000 ИБ Б2

Производительность, кг/час 30000.40000 15000.20000

Потребляемая мощность: от ВОМ трактора 80.150 30.65

Емкость бункера, литров 1500 370

Габариты, мм 1700x2350x2600 1050x1150x1450

Масса, кг 2200 700

Ширина вальцов, мм 2000 1000

Диаметр вальцов, мм 300 300

Вальцовые плющилки ROmiLL [107, 126] представлены на рисунке 1.8, производственные параметры в таблице 1.2.

Рисунок 1.8 - Вальцовые плющилки ROmiLL М1 и ROmiLL М2

Таблица 1.2 - Производственные параметры плющилок фирмы «ЯОтЬЬ»

Производственные параметры Плющилка RomiLL М1 Плющилка RomiLL М2

Потребляемая мощность: от ВОМ трактора, 60 120

Мощность обработки (мелкий продукт), кг/ч 7500.15000 17000.30000

Мощность обработки (грубый продукт), кг/ч 15000.20000 30000.40000

Вес, кг 2150 5600

Чешская компания ROmiLL производит все необходимое оборудование для плющения зерна. Главное преимущество плющилок зерна ROmiLL в том, что регулируется зазор между вальцами и они вращаются в противоположном направлении друг к другу со скоростью 1:1,5, что позволяет достичь максимальной производительности и нужной фракции корма. В плющилках зерна ROmiLL достигается очень высокое качество корма путем управления зазора между вальцами, тем самым можно получить необходимый размер фракции корма. Это еще указывает на то, что одной и той же машиной без замены вальцов можно плющить зерно как крупного помола (для КРС), так и мелкого (свиньи, овцы) [107, 126].

Для технологии плющения и консервирования зернового материала на стационарном пункте производятся стационарные плющилки зерна с приводом от электродвигателя [107].

Плющилки зерна серии ПЗ ООО "Доза-Агро" (Россия, Нижегородская область) [128] представлены на рисунке 1.9, а технические характеристики в таблице 1.3.

Рисунок 1.9 - Плющилки зерна ПЗ-1, ПЗ-2

Таблица 1.3 - Технические характеристики плющилок ПЗ-1 и ПЗ-2

Тип агрегата ПЗ 1-1 ПЗ 3-2

Исполнение 1 Исполнение 2 Исполнение 1 Исполнение 2

1 2 3 4 5

Производительность (при плотности сырья не менее 750кг/м3 , влажности 14% и зазоре вальцов 0,4 мм ), т/ч до 1 до 2

Массовая доля целых семян не более 5%

Мощность, кВт 5,5 7,5

Приемное устройство лоток бункер V=0,6 м3 лоток бункер V=0,6 м3

Число вальцов 2 шт.

Размер вальцов - диаметр - длина 228 мм 250 мм

Частота вращения вальцов, мин-1 1000

Продолжение таблицы 1.3

1 2 3 4 5

Габариты:

-длина 115 см 116 см 115 см 116 см

-ширина 49 см 65 см 49 см 65 см

-высота(без опор и бункера) 115 см 225 см 115 см 225 см

-высота выгрузного патрубка

над полом 20 см 60 см 20 см 60 см

Масса 470 кг 510 кг 490 кг 540 кг

Плющилки вальцовые зерновые серии ПВЗ ООО «АгроПоставка» (Россия, Нижегородская область) [127] показаны на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Плющилки вальцовые зерновые ПВЗ-700, ПВЗ-350

Плющилки вальцовые зерновые ПВЗ-700 и ПВЗ-350 [127] предназначены для плющения сухого, кислованного и прочего кормового зерна, а также подготовки его для силосования. Они применяются для обработки зерна в стадии восковой спелости, могут быть применены также для обработки подмоченного, прелого и частично проросшего зерна. Технические характеристики плющилок ПВЗ-700, ПВЗ-350 представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Технические характеристики плющилок ПВЗ-700, ПВЗ-350

Наименование параметра ПВЗ-700 ПВЗ-350

Производительность, т/час 5,0 ... 10,0 2,5 ... 5,0

Номинальное напряжение, В 380

Установленная мощность электропривода, кВт 22 7,5

Объем приемного бункера, не менее, л 250 180

Высота загрузки транспортного средства, м 2,4 ... 3,1 2,0 ... 2,5

Вальцы сетчато-рифленые - 2шт.

Ширина вальцов, мм 700 350

Диаметр вальцов, мм 350

Минимальный зазор между вальцами 0,3

Габаритные размеры, мм, не более: - длина - ширина (с электроприводом) - высота до края бункера - высота с элеватором 1690 1860 1040 3480 1250 1520 1130 3030

Масса (с электроприводом), кг, не более 980 650

Емкость бака для закваски, л 50

Влажность зерна, %, не более 40

Засоренность зерна органическими примесями, %,не более 15

Однородность плющеного зерна, % 15 ... 30

Средняя толщина хлопьев, мм 1,5 ... 2,2

Состав хлопьев толщиной 1,0 ... 2,5 мм в плющеном продукте, %, не менее 80

Количество целых зерен в плющеном продукте, %, не более 1,5

Уровень шума в зоне обслуживания, дБ 80

Концентрация пыли в рабочей зоне -5 оператора, мг/м 4

В лаборатории механизации животноводства ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» совместно с ПКБ НИИСХ Северо-Востока [148] разработана конструкторская документация на изготовление плющилок сухого и влажного зерна ПЗД-10, ПЗД-6, ПЗД-3.1 общий вид и конструктивно-технологическая схема которых представлены на рисунке 1.11, а технико-технологические показатели приведены в таблице 1.5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мошонкин Александр Михайлович, 2020 год

/ I

I

I

I

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ф, рад в

г, м

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ф, рад.

г

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 О

/ ы // у X

Л У / // /

¡'¡А / , ?Г X /

р/ >> , у / /

[Г/ V /Х- к /

л >, Я' / V I / /

у /V / I /

(Г / & • 1

/¿у /

I

у I

I

I

I

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ф, рад.

- Г=0,4----Г = 0,3---¡=0,2

—-Го = 0,025 м -К-г, = 0.045 м

—е-Го = 0,065 м -А-г. = 0,085 м

-В-Го = 0,095 м

д

Рисунок 2.9 - Графики отношения угла выхода частицы из межлопастного канала к расстоянию от центра вращения вальца до частицы на лопасти при частоте вращения п = 400 мин-1 (а), п = 500 мин-1 (б), п = 600 мин-1 (в),

п = 800 мин-1 (г), п = 900 мин-1 (д)

На графиках показано, что при увеличении внутреннего радиуса г0 от 0,045 до 0,095 м, частица выходит из межлопастного канала в подводящий канал без каких либо затруднений, также видно, что при уменьшении коэффициента трения частице требуется наименьшее время для выхода. При г0 = 0,025 м, частица не

может выйти из сектора, образованного углом « — = 0,523 рад.

еых 6

Для дальнейших экспериментальных исследований будем использовать культуру ячмень, а ее коэффициент трения по металлу равен / = 0,4.

Построен общий график, со всеми представленными частотами вращения при коэффициенте трения / = 0,4 (рис. 2.10).

г, м 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02

0,01 0

/ У*

у*

0,1 0,2 - г. = 0,025 м -X-

0,3 0,4

г, = 0,045 м

п = 400 мин---

------- п = зоо мин

0,5 0,6

-в-г, = 0,065 м

--п = 500 мин1

0,7 0,8

- г„ = 0,085 м

0,9 <р, рад.

г» = 0,095 м

п = 600 мин

п = 900 мин

Рисунок 2.10 - График отношения угла выхода частицы из сектора, образованного углом феых, к расстоянию от центра вращения вальца до частицы на лопасти при всех данных частотах вращения с коэффициентом трения / = 0,4

Анализ графических зависимостей показывает следующее. Всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы, при вращении питающего вальца должно выйти под воздействием различных сил в подводящий канал при прохождении межлопастными каналами сектора, образованного углом фвых. Графические зависимости показывают, что при частотах вращения n = 400.900 мин-1 питающего вальца и внутреннем диаметре r0 = 0,045.0,095 м

частица зерна выходит из межлопастного канала в секторе, образованного углом —

Фвых « — = 0,523 рад. Условие выполняется. 6

Так же условие проверяется математическим путем, подставляя данные значения в выражения (2.35), (2.28), (2.29), (2.34) и (2.36), получаем следующее: зерновка, двигаясь по лопасти питающего вальца при его вращении с внутреннего диаметра вальца r0 достигает периферии (rH) в момент времени t = 0,0237 с, что соответствует её координатам: ф = 0,474 рад < срвЬ1Х = 0,523 рад и r = 0,106 м > гн = 0,1 м - условие (2.37) выполняется.

Проведены теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для плющилки зерна. Получено математическое выражение, которое позволяет через разработанные программы в приложении «Microsoft Excel» численно определять местоположение и скорость движения зерна по лопасти вальца в любой момент времени t при определённых ранее конструктивно-технологических параметрах; с помощью данного выражения

проведена проверка функционирования питающего вальца со следующими

—

показателями: r0 = 0,08 м, rH = 0,100 м, « — = 0,523 рад, f = 0,4. Выявлено, что

вых 6

всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы из бункера, при вращении питающего вальца выходит в подводящий канал и через него в рабочую зону плющилки при прохождении лопастными каналами сектора,

образованного углом фвых « —. Условие соблюдается - питающий валец работает

вых 6

эффективно.

2.5 Выводы по второму разделу

1. В результате проведенных теоретических исследований по обоснованию движения зерновки в рабочей зоне плющения плющилки зерна установлено, что при скорости Vo (скорости ввода зерновки в рабочую зону плющения): Vo = Vmax = шЯ, где шЯ - линейная скорость на рабочих поверхностях вальцов для плющения радиусом Я, вращающихся навстречу друг другу со скоростью ш, требуется наименьшее время для прохождения зерновкой рабочей зоны плющения, следовательно, при скорости ввода V0 = шЯ наблюдается наибольшая пропускная способность плющения плющилки зерна.

2. Проведенные теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для плющилки зерна позволили определить, с помощью неоднородного дифференциального уравнения 2-го порядка (2.44) с учетом всех действующих сил, параметры движения зерновки по лопасти питающего вальца: местоположение и скорость в любой момент времени ? при заданных ранее конструктивно-технологических параметрах; также с помощью данного выражения возможна проверка условия эффективного функционирования питающего вальца: всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы, при вращении питающего вальца должно выйти под воздействием различных сил в подводящий канал при прохождении

межлопастными каналами сектора, образованного углом фвых « —.

6

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа экспериментальных исследований

В соответствии с задачами основу программы экспериментальных исследований составляет изучение технологического процесса плющения зерна с питающим устройством, определение оптимальных параметров и режимов работы плющилки зерна с питающим устройством, а также получение первичной информации о её работе в реальных условиях эксплуатации.

С учетом поставленных задач программа исследований включает, следующее:

1) разработку конструктивно-технологической схемы плющилки фуражного зерна с питающим устройством;

2) разработку и изготовление экспериментального образца для подачи зерна в зону плющения, снятия и регистрации энергетических характеристик;

3) экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований;

4) исследование и сравнение показателей рабочих процессов плющилки фуражного зерна до установки на нее питающего устройства и после;

5) исследование влияния конструктивно-технологических параметров и режимов работы питающего устройства плющилки фуражного зерна на оценочные показатели рабочего процесса плющения, обеспечивающую максимальную пропускную способность с минимальными удельными энергозатратами, при качестве готового продукта соответствующему зоотехническим требованиям [31, 32, 34, 35].

3.2 Методика экспериментальных исследований 3.2.1 Измерительная аппаратура, приборы и устройства

Для определения и контроля энергетических, параметрических и техноло -гических характеристик рабочего процесса плющилки фуражного зерна использовали различные приборы и аппаратуру.

Перечень оборудования и измерительной аппаратуры приведен в таблице

3.1.

Таблица 3.1 - Приборы, устройства и материалы, используемые в экспериментах

№ п/п Наименование Обозначение Примечание

1 Асинхронный электродвигатель АИР112МВ6 Привод плющилки зерна с питающим устройством

2 Фуражное зерно Ячмень Материал для оценки характеристик питающего устройства плющилки зерна

3 Весы механические ВТ8908-100 (РП-100 Ш13) Определение массы материала

4 Секундомер СДС-пр1 Определение времени опыта

5 Тахометр ТЧ-10Р Контроль частоты вращения вальца питающего устройства

6 Комплект измерительный К540 Определение силы тока на каждой фазе трехфазной сети

Определение напряжения на каждой фазе трехфазной сети

7 Частотный преобразователь Изменение частоты вращения вала электродвигателя

На основании проведённого анализа уровня техники по рассматриваемому вопросу [116, 117] разработана конструктивно-технологическая схема плющилки сухого и влажного зерна (рис. 3.1, а) с питающим устройством (рис. 3.1, б) для подачи зерна в рабочую зону (межвальцовый зазор) плющилки.

а

б

Рисунок 3.1 - Конструктивно-технологическая схема плющилки фуражного зерна (а) и её питающего устройства (б)

Плющилка зерна может быть использована при проведении технологических операций по плющению зерна восковой спелости, фуражного зерна полной спелости влажностью более 20 % и сухого фуражного зерна. Состоит из рамы 1, питающего бункера 2 с окном 3 и регулировочной заслонкой 4, канала для подачи зерна на плющение 5, питающего вальца 6 с лопостями, вальцов для плющения левого 7 и правого 8. Левый валец 7 установлен на неподвижных опорах, а правый 8 - на раме 1 с возможностью поворота для аварийного отвода от вальца 7 и для регулировки межвальцового зазора 14. Приводы вальцов 6, 7 и 8 осуществляется от электродвигателя 9 клиноременными передачами 10.

Плющилка работает следующим образом. Подлежащий измельчению зерновой материал (зерно) 11 загружается в питающий бункер 2. При открытии окна регулировочной заслонкой 4, позволяющей регулировать пропускную способность плющилки, зерновой материал (зерно для плющения) 11, находящийся в питательном бункере 3, захватывается канавками питающего вальца 6 и подается через окно 3 и подводящий канал 5 и через него в межвальцовый зазор 12 вальцов 7 и 8, где захватывается вальцами и проходит плющение (измельчение), затем выводится из межвальцового зазора 12 и как готовый продукт 13, плющеное фуражное зерно отправляется на сохранение или непосредственно на скармливание. Установка питающего вальца 6 в питающем бункере 2 плющилки над регулируемым по высоте окном 3, разрыхляет поступающее в бункер на плющение зерно 11, что устраняет его зависание в бункере 2, тем самым обеспечивает непрерывность и равномерность подачи зерна 11 на плющение, и непрерывность всего технологического процесса плющения зерна, что повышает производительность плющилки. Кроме того, зерно поступает в зону плющения от вальца 6 через канал 5 с технологически необходимой скоростью, существенно улучшающей захват зерна вальцами для плющения, что также значительно повышает пропускную способность плющилки, и в конечном итоге снижает себестоимость получаемого продукта.

На основании конструктивно-технологической схемы были изготовлены варианты исполнения конструкции питающего устройства и самих питающих вальцов (рисунок 3.2 а, б, в).

в

Рисунок 3.2 - Питающее устройство с диаметром вальцов 200 мм. (а), с диаметром вальцов 120 мм. (б) и исполнения питающих вальцов (в)

Привод питающего устройства осуществлялся набором шкивов и ремней для различных частот вращения питающего вальца, а также с помощью

частотного преобразователя, конструктивная схема привода представлена на рисунке 3.3 а, конструкционное исполнение на рисунке 3.3 б.

1 - шкив на вальце для плющения;

2 - шкив на питающем валу;

3 - натяжитель

А

б

Рисунок 3.3 - Конструктивная схема привода питающего устройства (а), привод питающего устройства (б): шкив на питающем валу Э=138 мм, шкив на вальце плющения Э=116 мм; шкив на питающем валу Э=138 мм, шкив на вальце плющения Э=190 мм; шкив на питающем валу Э=116 мм, шкив на вальце плющения 0=190 мм; шкив на питающем валу Э=1116 мм, шкив на вальце

плющения Э=116 мм

3.2.2. Общая методика исследований

В соответствии с задачами исследования проводили по методике, изложенной в работах [57, 67, 105, 139, 140]. Количество опытов, замеров и проб принимали в соответствии с ОСТ 70.19.2-83 [115]. При проведении экспериментальных исследований учитывались особенности варьируемых

факторов. Выбирали наиболее приемлемые планы исследований: однофакторного эксперимента, планирования многофакторного активного эксперимента.

Пропускную способность плющилки для каждой повторности опыта определяли путем взвешивания готового продукта на весах [8, 12]. Время опыта фиксировали секундомером. Среднюю пропускную способность подсчитывали по формуле:

n f~<

Q = £з,б (3.1)

i=3 t

где Q - средняя пропускная способность плющилки, т/ч; G - масса готового продукта за время опыта, кг; t - время опыта, с.

При расчете пропускной способности учитывалась только та часть готового продукта, которая соответствовала установившемуся режиму работы установки.

Для определения энергоемкости процесса и удельных энергозатрат при плющении материала во время опытов фиксировалась потребляемая мощность на привод вальцов при рабочей нагрузке и мощность на холостом ходе вальцов. Потребляемую мощность определялась по формуле:

P = ^3 • иф • I • cos^, (3.2)

где Пф - фазное напряжение сети, В; I - сила тока, А;

соБф - коэффициент мощности, это отношение активной мощности P (Вт) к полной S (ВА): соэ(ф) = P/S.

3.3 Выбор критериев оптимизации и основных факторов процесса

плющения

В качестве критериев оптимизации необходимо выбрать такие показатели, которые бы являлись совокупной и исчерпывающей характеристикой объекта исследования [78, 88, 96, 97]. При изучении процесса плющения выбрали в

качестве критерия оптимизации величину удельных энергозатрат процесса Э который определяем по формулам, (кВтч/т):

P

Э = -. (3.3)

б

Эти показатели совокупно увязывают удельные энергозатраты на единицу выхода готового продукта с результатом работы плющилки. Поэтому любые режимы работы плющилки оказываются сравнимыми в том или ином варианте [12].

Так же критерием оптимизации был выбран такой показатель, как пропускная способность Q, который рассчитывается по формуле 3.1.

При выборе факторов, влияющих на величину критериев оптимизации при плющении материала, основывались на теоретических исследованиях, изложенных во второй главе. На технологический процесс плющения оказывают влияние следующие факторы: XI - частота вращения вала питающего устройства п, мин-1; х2 - число лопастей вальца 2, шт.; х3 - диаметр вальца питающего устройства В, м; х4 - высота установки питающего вальца относительно рабочей зоны плющения И, мм; х5 - угол наклона лопастей вальца а, град.

3.4 Краткая методика планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных

Исследование рабочего процесса плющилки фуражного зерна с питающим устройством проводили с применением методов планирования эксперимента.

Согласно литературным источникам [1, 19, 20, 37, 38, 47, 89, 97, 115, 119, 121, 129] в зависимости от способа получения информации методы могут быть активными или пассивными. Первый способ получения информации - это установка и поддержание на нужном уровне факторов или возмущений. Второй способ основан на пассивном возмущении, то есть когда фактор только регистрируется, так как постоянно поддерживать его значение на заданном уровне невозможно.

Планирование активного эксперимента изложено в [1, 96, 97, 152], а активно-пассивного в [1]. Нормирование факторов при активно-пассивном эксперименте проводили по [97].

С помощью программных приложений Microsoft Office Excel 2007 и Statgraph^s Plus 5.0. для Windows в соответствии с методами, изложенными в [38], были произведены расчёты оценок коэффициентов регрессии, при этом оценена их значимость, проверена адекватность полученных моделей, по которым строили двумерные сечения поверхностей откликов. Расчеты, проведенные по определению среднего значения отклика и расчетного значения критерия оптимизации, определяли в среде Microsoft Office Excel 2007.

Оценки коэффициентов регрессии считались значимыми с 95% доверительной вероятностью при величине P-Value, приведённой в таблице дисперсионного анализа, не превышающей 0,05.

При анализе многофакторных экспериментов всегда необходимо выделить наиболее значимые факторы и соответственно свести их количество к минимальному, для дальнейшего поиска оптимальных значений. Поэтому предлагается использовать следующую методику, которая позволяет решить данную проблему, для этого необходимо построить таблицу для факторного анализа экспериментальных данных (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Факторный анализ

Двумерные сечения по сочетанию факторов Фиксированные значения факторов Оптимальные значения критериев оптимизации Наилучшие оптимальные значения критериев оптимизации Сочетания факторов, при наилучших критериях оптимизации

xa xb xc xn ymax/min Ушах/шт

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ХаХь - - -1...+1 -1...+1 УаЬ УаЪ>УЪо>Уас>-->Ут или УаЪ<УЪс<Уас>---<Ут ^b^c?, xaxc, .,xnxn;

-1...+1 - - -1...+1 ybc УЪс>УаЪ>Уас>-->Ут или УЪс<УаЪ<Уас>---<Ут

_Продолжение таблицы 3.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ХаХс - -1...+1 - -1...+1 уас Уас>УЪс>УаЪ>.->Ут или уас<уЪс<уаЪ>.<упп

хпхп -1...+1 -1...+1 -1...+1 - Упп упп>->уаЪ>уЪс>уас или Упп<-<УаЪ<УЬс<Уас •xaxb, •хЪхс,. • •,ха*хс

Е При ^расч—^табл

Суть анализа заключается в следующем:

- выделяют сочетание факторов по которым построено двумерное сечение и заносят их в соответствующий столбик;

- далее указывают какие факторы зафиксированы для данного сочетания факторов и каждый из них суммируем по столбику, то есть сколько раз он встречается для различных сочетаний, при этом исключаем факторы, которые имеют минимальное количество повторений;

- в зависимости от целевой функции заносят максимальное или минимальное значение критерия оптимизации по каждому сочетанию;

- выбирают наилучшее значение критерия оптимизации из всех;

- в последнем столбце указывается сочетание факторов значимых для выбранного критерия;

- если два и более фактора встречаются одинаковое количество раз, то необходимо анализировать данное сочетание с последующей оптимизацией;

- дальнейшую оптимизацию проводим по полному факторному эксперименту 2-го порядка 33.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 4.1 Исследования плющилки зерна ПЗ-1

Исследованиями по изучению скармливания зерна животным и влияния на их продуктивность установлено, что цельное зерно усваивается животными намного хуже по сравнению с измельченным. Это связано с тем, что внешняя оболочка зерна состоит из клетчатки, которая препятствует доступу ферментов пищеварительного сока к питательным веществам зерна. Измельченное, например дроблением, зерно также обладает недостатками, поскольку имеет свойство оседать в рубце КРС, что приводит к снижению усвояемости питательных веществ, находящихся в зерне, в частности, перевода биологически неполноценного белка в биологически полноценный, преобразование углеводов в летучие жирные кислоты и т.д. [14, 17].

Процесс плющения зерна позволяет получить корм, наиболее соответствующий биохимическим процессам, которые происходят в рубце жвачного животного. При плющении нарушается внешняя оболочка зерна, которая препятствует доступу ферментов к питательным веществам. Таким образом, площадь соприкосновения питательных веществ зерна с ферментной системой желудочно-кишечного тракта животного увеличивается в несколько раз. Плющеное зерно имеет оптимальные размеры для равномерного распределения по всему рубцу коровы, что ведет к лучшему использованию микроорганизмами рубца углеводов и белков. Малоценный белок в этом случае легко переходит в биологически полноценный белок микроорганизмов (по составу он наиболее соответствует аминокислотному составу молока), который, в свою очередь, является кормом для животного [92, 113, 114].

Для усовершенствования технологического процесса плющения в качестве базовой модели выбрана плющилка ПЗ-1 (рис. 4.1) с клиноременным приводом, разработанная в ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока, которая серийно выпускается на ООО «Нолинский ремонтный завод», г. Нолинск, Кировская область.

Она предназначена для плющения различных видов злаковых и бобовых культур (овес, ячмень, пшеница, рожь, горох, кукуруза), а также их смеси при влажности зерна 10. 40 %.

Зерно, проходя через вальцы, плющится, в результате получаются хлопья толщиной 0,05.2,0 мм. Толщина хлопьев регулируется изменением зазора между вальцами.

Рисунок 4.1 - Общий вид плющилки зерна ПЗ-1: а - производственный; б - рабочий вариант в испытательной лаборатории

На первом этапе исследовали процесс плющения зерна плющилкой ПЗ-1. Загрузочное устройство представляет собой бункер с заслонкой, для регулировки величины подачи фуражного зерна в зону плющения.

Проведена оценка пропускной способности Q плющилки и удельных энергозатрат на единицу готовой продукции Э при исследовании технологического процесса.

Выявлено следующее: серийно выпускаемая машина (плющилка зерна ПЗ-1) имеет технические данные: диаметр вальцов В = 275 мм, частоту вращения вальцов п = 600 мин-1, ширину вальцов В = 150 мм, межвальцовый зазор имеет величину к1 = 0,9 мм, проверена ее работоспособность. В результате установлено, что при плющении фуражного ячменя сорта Родник Прикамья влажностью Ж = 12 % пропускная способность машины ПЗ-1 составила Q = 0,596 т/ч, удельные энергозатраты - Э = 6,225 кВт-ч/т при качестве готового продукта, удовлетворяющего зоотехническим требованиям.

4.2 Предварительные исследования плющилки зерна с питающим

устройством

На следующем этапе исследовали влияние конструктивно-технологических параметров плющилки с питающим устройством. Для этого разработана конструктивно-технологическая схема питающего устройства (представлена в разделе 3.1) и изготовлен экспериментальный образец данного устройства (рис. 4.2, а), в качестве рабочего органа использовали питающие вальцы различной конструкции (рис. 4.2, б) [153].

Рисунок 4.2 - Общий вид экспериментального образца питающего устройства (а) и её рабочего органа - питающего вальца (б)

Питающее устройство установлено на серийно-выпускаемую плющилку

ПЗ-1.

Общий вид опытного образца машины для плющения с устройством ввода приведен на рисунке 4.3, а конструктивно-технологическая схема на рисунке 3.1

Рисунок 4.3 - Общий вид плющилки зерна ПЗ-1 с установленным на ней питающим устройством

Целью данного этапа экспериментальных исследований являлось изучение влияния изменения величины окружной скорости (линейной скорости наружных кромок лопастей) питающего вальца на основные технико-экономические показатели технологического процесса получения плющеного зернового корма -пропускную способность (т/ч) и удельные энергозатраты на единицу готовой продукции (кВт-ч/т).

При проведении исследований изменяли частоту вращения питающего вальца в интервале от 500 до 900 мин-1 с шагом в 100 мин-1, что соответствует окружной скорости по наружным кромкам лопастей вальца ¥0 = 5,23, 6,28, 8,37, 9,42 м/с для диаметра питающего вальца Б = 200 мм и У0 = 3,14, 3,77, 5,07, 5,65 для диаметра Б = 120 мм соответственно. Так же изменяемыми факторами

являются: число лопастей 16 и 32 шт., высота установки питающего устройства 320 и 370 мм. Принято следующее допущение, что зерно по подводящему каналу поступает в зону плющения с той же скоростью К0=Кпад, с которой сходит с лопастей питающего вальца.

V = Упад = . (4.1)

60

Межвальцовый зазор составлял И} = 0,9 мм и контролировался при проведении опытов. Для опытов использовали фуражный ячмень сорта Родник Прикамья влажностью 12 %, средневзвешенным размером по толщине- 2,85 мм. Опыты проводились в трёхкратной повторности, результаты опытов обрабатывали согласно существующим методикам. Схема проведения опытов представлена в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Схема питающего устройства плющилки при проведении опытов

№ схемы

Варианты

Диаметр питающего вальца В=120, 200 мм, число лопастей 2=16, 32 шт, высота установки питающего устройства И = 320, 370 мм и угол наклона лопастей а = 0 град.

Схема установки

1

По результатом исследований питающего устройства с числом лопастей 2 =16 шт., диаметром питающего вальца О = 120 мм, углом наклона лопастей а = 0 град. и высотой установки питающего устройства И = 320 мм построены зависимости производительности Q, удельных энергозатрат на единицу готовой продукции Э от частоты вращения питающего вальца п и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад (рис. 4.4).

Э (}

3 3,5 4 4,5 5 5,5 м/с

—I-1-1-1-1-

500 600 700 800 900 п, мин"1

Рисунок 4.4 - Зависимости изменения пропускной способности плющилки зерна с питающим устройством Q и удельных энергозатрат Э от частоты вращения питающего вальца п и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения ¥пад с питающим вальцом О = 120 мм при числе лопастей 2 = 16 шт.

Анализ зависимостей (рис. 4.4) показывают, что при увеличении частоты вращения питающего вальца с 500 до 900 мин-1 (Упад с 3,14 до 5,65 м/с) происходит увеличение пропускной способности Q с 0,76 до 1,04 т/ч, а так же снижение удельных энергозатрат Э с 5,7 до 4,35 кВт-ч/т.

Таким образом, максимальная пропускная способность плющилки с питающим устройством, имеющим диаметр вальца 120 мм, числом лопастей 16 шт., составляет Q = 1,06 т/ч, при удельных энергозатратах Э = 4,35 кВтч/т.

Так же проведены исследования при числе лопастей 2 = 32 шт., с фиксированными факторами В = 120 мм, а = 0 град., И = 320 мм (рис. 4.5).

1,02

д, т/ч

0,98

0,96

0,94

0,92

0,9

3,5

4,5

□ / V

<

X

______

"Э,

4,85

кВт-ч

4,75

4,7

4,65

4,6

4,55

5,5 V,,, м/с

500

600

700

800

900 п, мин

Рисунок 4.5 - Зависимости изменения пропускной способности плющилки зерна с питающим устройством Q и удельных энергозатрат Э от частоты вращения питающего вальца п и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад с питающим вальцом В=120 мм при числе лопастей 2 = 32 шт.

Анализ зависимостей (рис. 4.4 и 4.5) показал, что увеличение числа лопастей питающего вальца диаметром 120 мм привело к незначительным изменениям показателей рабочего процесса плющилки. Сравнивая показатели при числе лопастей 16 и 32 шт., видим, что пропускная способность плющилки зерна Q при его частоте вращения п = 500 мин-1 и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад = 3,14 м/с увеличилась с 0,76 до 0,93 т/ч, а при частоте вращения питающего вальца п = 900 мин-1, что соответствует скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад = 5,65 м/с, уменьшилась с 1,04 до 1,01 т/ч. При этом удельные энергозатраты на единицу готового продукта Э при частоте вращения вальца п = 500 мин-1 и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад = 3,14 м/с снизились с 5,7 до 4,8 кВтч/т, а при частоте вращения вальца п = 900 мин-1 (Упад = 5,65 м/с), увеличились с 4,35 до 4,58 кВтч/т.

Анализируя рисунок 4.4 и 4.5 делаем вывод, что при увеличении частоты вращения питающего вальца с 500 до 900 мин-1, то есть увеличивая скорость полета частицы к рабочей зоне плющения с 3,41 до 5,65 м/с, при диаметре питающего вальца 120 мм увеличивается пропускная способность и снижаются удельные энергозатраты, но дальнейшее увеличение числа лопастей питающего вальца не целесообразно, так как это ведет к уменьшению пропускной способности.

Для увеличения пропускной способности плющилки с питающим устройством, опираясь на результаты теоретических исследований, необходимо увеличить скорость полета частицы к рабочей зоне плющения, которая напрямую зависит от частоты вращения питающего вальца и его диаметра. Диаметр питающего вала 120 мм не обеспечивает нужную скорость полета частицы к рабочей зоне плющения. При увеличении частоты вращения больше 900 мин-1 происходит выбрасывание зернового материала не в зону подводящего канала, а обратно в приемный бункер, из этого возникает необходимость в увеличении диаметра до 200 мм, что и было реализовано.

На следующем этапе исследовали питающее устройство с диаметром вальца 200 мм, углом наклона лопастей а = 0 град., высотой установки питающего устройства И = 370 мм на котором изменяли число лопастей. В ходе исследований оценивалась пропускная способность Q и удельные энергозатраты на единицу готового продукта Э.

Анализ полученных зависимостей при числе лопастей 16 шт. (рис. 4.6, а и 4.6, б) показывает, что с увеличением частоты вращения питающего вальца с 500 до 800 мин-1, что увеличивает скорость полета частицы к рабочей зоне плющения с 5,23 до 8,37 м/с, происходит рост пропускной способности плющилки зерна с 0,9 до 1,23 т/ч, а так же снижение удельных энергозатрат с 4,68 до 3,72 кВтч/т.

Рисунок 4.6 - Зависимости изменения пропускной способности плющилки зерна с питающим устройством Q и удельных энергозатрат Э от частоты вращения питающего вальца п и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад с питающим вальцом 0=200 мм при числе лопастей 2 = 16 шт.

Последующее увеличение частоты вращения вальца свыше 800 мин-1 и соответственно скорости полета частицы к рабочей зоне плющения более 8,37 м/с, приведет к снижению пропускной способности плющилки зерна с питающим устройством.

На рисунке 4.7 приведены результаты исследований при числе лопастей 2 = 32 шт. с фиксированными факторами В = 200 мм., а = 0 град., И = 370 мм.

Рисунок 4.7 - Зависимости изменения пропускной способности плющилки зерна с питающим устройством Q и удельных энергозатрат Э от частоты вращения питающего вальца п и скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад с питающим вальцом 0=200 мм при числе лопастей 2 = 32 шт.

Сравнительный анализ зависимостей (рис. 4.6 и 4.7) показал, что при диаметре вальца 200 мм увеличение числа лопастей питающего вальца с 16 до 32 шт., привело к существенным изменениям показателей: увеличению пропускной способности Q с 0,9 ... 1,23 до 1,1 ... 1,3 т/ч, снижению удельных энергозатрат Э при частоте вращения питающего вальца п = 500 мин-1 и соответствующей ей скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад = 5,23 м/с с 4,68 до 4,05 кВтч/т; при частоте вращения питающего вальца п = 900 мин-1 и соответствующей ей скорости полета частицы к рабочей зоне плющения Упад = 9,42 м/с, удельные энергозатраты увеличились с 3,72 до 3,91 кВтч/т.

Таким образом, можно сделать вывод, что для диаметра вальца О = 200 мм увеличение частоты вращения питающего вальца свыше 800 мин-1 приводит к снижению пропускной способности Q плющилки зерна с питающим устройством, так как скорость полета частицы к рабочей зоне плющения выше окружной

скорости вальцов для плющения, что напрямую согласуется с результатами теоретических исследований.

Анализ полученных зависимостей показывает высокую эффективность применения питающего устройства, а именно: поступление зерна в зону плющения со скоростью, равной или близкой к окружной скорости вальцов для плющения (шЯ = 8 м/с) приводит к увеличению пропускной способности плющилки и снижению удельных энергозатрат процесса; стабильные показатели технологического процесса, которые достигаются плющением, наблюдаются в интервале скоростей ввода зерна в зону плющения - У0 = Упад = 8...9 м/с, что практически соответствует окружной скорости вальцов для плющения (для плющилки ПЗ-1 данная скорость составляет шЯ ~ 8,2 м/с).

Следовательно, экспериментальные исследования подтверждают представленные ранее теоретические предпосылки о том, что производительность плющения достигает своего максимума при подводе зерна в зону плющения со скоростью, равной окружной скорости вальцов для плющения.

4.3 Оптимизация рабочего процесса плющилки зерна с питающим

устройством

4.3.1 Исследование конструктивно-технологических параметров

питающего устройства

Для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров питающего устройства после реализации однофакторных экспериментов проведены исследования с использованием методики планирования эксперимента.

При проведении исследований оценивалось влияние на технологический процесс плющения следующих факторов питающего устройства: частоты вращения вальца питающего устройства п, числа лопастей на вальце 2 , диаметра вальца питающего устройства В, высоты установки питающего вальца

относительно рабочей зоны плющения к, угол наклона лопастей вальца питающего устройства а, а в качестве критериев оптимизации использовали пропускную способность плющилки Q (т/ч) и удельные энергозатраты на плющение Э (кВт-т/ч).

Для изучения совместного влияния конструктивно-технологических параметров на показатели рабочего процесса реализована полуреплика полного факторного эксперимента типа 2 - с определяющим контрастом 1 = — Х\ Х2 Х3 Х4 Х5 [1, 70, 135, 154].

Факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 4.2, а матрица плана и результаты исследований в таблице 4.3.

Интервалы и уровни варьирования факторов выбраны на основе результатов однофакторных экспериментов.

Таблица 4.2 — Факторы и уровни их варьирования

Уровни варьирования факторов Факторы

Частота вращения вальца питающего устройства п, мин-1 Число лопастей на вальце 2, шт. Диаметр вальца Б, м Высота установки питающего устройства к, мм Угол наклона лопастей а, град.

Х1 Х2 Х3 х4 Х5

Верхний уровень (+) 900 32 0,2 370 15

Нижний уровень (—) 500 16 0,12 320 0

Таблица 4.3 - Матрица плана 25-1 и результаты экспериментальных исследований

№ п/п Факторы Критерии оптимизации

Частота вращения вальца питающего устройства п, мин-1 Число лопастей на вальце 2, шт. Диаметр вальца О, м Высота установки питающего устройства И, мм Угол наклона лопастей а, град. Пропускная способность, Q, т/ч Удельные энергозатраты Э, кВтч/т

X1 Х2 Хз Х4 Х5 У1 У2

1 2 3 4 5 6 7 8

1 -1 -1 -1 -1 -1 0,892 4,97

2 +1 +1 -1 -1 -1 0,995 4,58

3 +1 -1 +1 +1 +1 1,242 4,1

4 -1 +1 +1 +1 +1 0,965 4,42

5 +1 -1 +1 -1 -1 1,186 3,75

6 -1 +1 +1 -1 -1 0,984 4,63

7 -1 -1 -1 +1 +1 0,889 4,8

8 +1 +1 -1 +1 +1 0,98 4,44

9 +1 -1 -1 -1 +1 0,97 4,7

10 -1 +1 -1 -1 +1 0,957 4,65

11 -1 -1 +1 +1 -1 1,098 4,27

12 +1 +1 +1 +1 -1 1,283 3,96

13 +1 -1 -1 +1 -1 1,071 4,33

14 -1 +1 -1 +1 -1 0,978 4,61

15 -1 -1 +1 -1 +1 1,085 4,32

16 +1 +1 +1 -1 +1 1,252 3,85

После реализации опытов, расчета оценок коэффициентов регрессии получили следующие модели рабочего процесса:

у1 = 1,064 + 0,058х - 0,015х2 + 0,098 -х3 + 0,024-х4 - 0,022-х5 + 0,020 ■х1х2 + + 0,021 ■х1х3 - 0,003 ■х1х4 + 0,010 х1х5 - 0,026-х2х3 - 0,022-х2х4 + 0,011 х2х5 + + 0,011 х3х4 - 0,004 х3х5 - 0,048-хх (4.2)

у2 = 4,369 - 0,155 х1 + 0,023-х2 - 0,266 х3 - 0,062-х4 + 0,041 х5 - 0,030 ■х1х2 -- 0,033 ■х1х3 + 0,056 ■х1х4 + 0,018 ■х1х5 + 0,088 х2х3 + 0,027-х2х4 - 0,093-х2х5 + + 0,028-х3х4 + 0,028-х3х5 + 0,092-х4х5. (4.3)

Оценки коэффициентов регрессии, величина которых меньше доверительного интервала, можно исключить из математической модели. После этого математические модели рабочего процесса примут вид:

у1 = 1,055 + 0,070 х + 0,086х3 + 0,013х4 + 0,011 х1х2 + 0,030-х1х3 — 0,017-х2х3 — 0,013-х2х4 — 0,039-х^. (4.4)

у2 = 4,353 — 0,129 х1 + 0,050-х2 — 0,292-х3 — 0,088х4 + 0,067-х5 — 0,046-хх + 0,072 ■х1х4 +0,105-х2х3 + 0,043-х2х4 — 0,110х2х5 + 0,045-х3х5 + 0,108х4х5. (4.5)

Анализ математических моделей показывает следующее:

- на пропускную способность плющилки зерна с питающим устройством наибольшее влияние оказывают диаметр вальца питающего устройства (Ъ3 = 0,086) и частота вращения вала питающего устройства (Ь = 0,070), при их увеличении пропускная способность возрастает;

- на удельные энергозатраты на плющение плющилкой с питающим устройством наибольшее влияние оказывает диаметр вальца питающего

устройства (Ь3 = -0,292), с его увеличением удельные энергозатраты снижаются.

Однородность дисперсии при обработке опытных данных определяли по критерию Кохрена. Расчетные значения составили = 0,25 и 02 = 0,07. Вычисленные значения критерия Кохрена сравнивали с табличным, которое при числе степеней свободы = 2, /2 = 16 составляет Отабл = 0,28.

Так как табличное значение Стабл. > С больше вычисленного, то дисперсии однородны.

Адекватность математических моделей оценивали с помощью F-критерия Фишера. Расчетные значения F-критерия Фишера ^ = 6,26 и = 2,37. Вычисленные значения F-критерия меньше табличного Бтабл= 2,9 при 5%-ом

уровне значимости и числе степеней свободы / = 2 и /2 = 32. Отсюда следует,

что при Бтабл> Б, модель (4.3) адекватна с 95%-ной вероятностью, а модель (4.2) — неадекватна (Приложение Б, В).

Построены диаграммы значимости факторов и сочетания факторов для каждого из критериев оптимизации:

Факторы

О 0,04 0,08 0,12 Эффект 0,2

Рисунок 4.8 — Диаграмма значимости факторов и сочетания факторов при

критерии оптимизации у1

Факторы

0 0,1 0,2 0,3 0,4 Эффект 0,6

^^Н + -

Рисунок 4.9 — Диаграмма значимости факторов и сочетания факторов при

критерии оптимизации у2

Анализ диаграмм значимости факторов и сочетаний факторов показывает, что наибольшее влияние на пропускную способность оказывает сочетание факторов Х}Х2 и Х4Х5, а на удельные энергозатраты - Х}Х4, х2х3, х2х5 и Х4Х5. Исходя из этого, дальнейший анализ математических моделей проводили с помощью сечений поверхностей отклика при данных сочетаниях факторов (рис. 4.10.4.14).

Анализ поверхностей откликов позволил сделать вывод, что оптимальными величинами фиксированных значениях факторов х2 - числа лопастей на вальце, х4 - высоты установки питающего устройства и х5 - угла наклона лопастей, при которых критерии оптимизации у1 и у2 наилучшие, являются х2 = 2 = 16 шт., х4 = И = 370 мм, х5 = а = 0°.

Рисунок 4.10 - Поверхности отклика, характеризующие пропускную способность Q, т/ч (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/т (б) в зависимости от диаметра питающего вальца О и частоты его вращения п, при фиксированных значениях факторов х2 = -1 (г = 16 шт.), х4 = 1 (И = 370 мм), х5 = -1 (а = 0°)

Анализируя поверхности отклика (рис. 4.10, а), видим, что увеличивая частоту вращения вальца п от 740 до 900 мин-1 при его диаметре О в интервале от 0,192 до 0,2 м, максимальная пропускная способность составит Q = 1,35 т/ч, при

фиксированных значениях факторов: х2 = -1 (z = 16 шт.), х4 = 1 (h = 370 мм), х5 = -1 (а = 0°).

Анализ поверхности отклика (рис. 4.10, б) при фиксировании значений указанных выше факторов показывает, что удельные энергозатраты составят Э = 3,6 кВт-ч/т, при частоте вращения вальца n от 830 до 900 мин-1 и его диаметре D от 0,196 до 0,2 м.

Из поверхностей откликов (рис. 4.10 а, б) можно заключить, что оптимальными величинами фиксированных значениях факторов х4 и х5, для критериев оптимизации составляют х4 = h = 370 мм, х5 = а = 0°, а для фактора Xj -частоты вращения вальца, исходя из предварительных исследований, оптимальным показателем является х1 = n = 900 мин-1.

Рисунок 4.11 - Поверхности отклика, характеризующие пропускную способность Q, т/ч (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/т (б) в зависимости от диаметра питающего вальца О и числа лопастей 2, при фиксированных значениях факторов х] = 1 (п = 900 мин-1), х4 = 1 (к = 370 мм), х5 = -1 (а = 0°)

Поверхность отклика (рис. 4.11, а) показывает, что с увеличением диаметра вальца О от 0,19 до 0,2 м, и уменьшением числа лопастей 2 в пределах от 26 до 16 шт., достигаем максимальной пропускной способности Q = 1,34 т/ч, при

фиксированных значениях факторов: х\ = 1 (п = 900 мин-1), х4 = 1 (И = 370 мм), х5 = -1 (а = 0°).

Рисунок 4. 11, б показывает, что минимальное значение удельных энергозатрат составит Э = 3,7 кВт-ч/т при этих же значениях факторов, а значимые факторы будут следующими: диаметр вальца питающего устройства О в интервале от 0,19 до 0,2 м и число лопастей вальца г в пределах от 16 до 22 шт.

Из анализа сечений поверхностей откликов, рассмотренных ранее, можно сделать вывод, что показателями фиксированных значениях факторов х2 и х5, для оптимальных критериев оптимизации составляют х2 = г = 16 шт., х5 = а = 0°, а для фактора х3 - диаметра вальца, исходя из предварительных исследований, оптимальным показателем является х3 = О = 0,2 м.

Рисунок 4.12 - Поверхности отклика, характеризующие пропускную способность Q, т/ч (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/т (б) в зависимости от

высоты установки питающего устройства И и частоты вращения п, при фиксированных факторах х2 = -1 (г = 16 шт.), х3 = 1 (О = 0,2 м), х5 = -1 (а = 0°)

Анализируя поверхности отклика (рис. 4.12, а) видим, что увеличивая высоту установки питающего устройства относительно рабочей зоны плющения И

с 365 до 370 мм и увеличивая частоту вращения вальца п в пределах от 820 до 900 мин-1 достигли максимального значения производительности Q = 1,37 т/ч при фиксированных значениях факторов: х2 = -1 (т = 16 шт.), х3 = 1 (О = 0,2 м),

х5 = -1 (а = 0°).

При анализе поверхности отклика (рис. 4.12, б), при фиксировании значений указанных выше факторов (х2, х3 и х5) достигаем минимального значения удельных энергозатрат Э = 3,6 кВт-ч/т, соответственно данное значение достигнуто при высоте установки питающего вальца относительно рабочей зоны плющения И в пределах от 350 до 370 мм и частоте вращения п от 830 до 900 мин-1.

Исходя из анализа поверхностей откликов (рис. 4.10.. .4.12), можно заключить, что оптимальными величинами фиксированных значений факторов: х^, х2 и х3, для критериев оптимизации у1 и у2 составляют = п = 900 мин-1, х2 = г = 16 шт., х3 = О = 0,2 м.

Рисунок 4.13 - Поверхности отклика, характеризующие пропускную способность Q, т/ч (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/т (б) в зависимости от угла наклона лопастей а и высоты установки питающего устройства И, при фиксированных факторах х\ = 1 (п = 900 мин-1), х2 = -1 (г = 16 шт.), х3 = 1 (О = 0,2 м)

Анализ поверхности отклика (рис. 4.13, а) показывает, что увеличивая высоту установки питающего устройства относительно рабочей зоны плющения И в интервале от 358 до 370 мм и уменьшая угол наклона лопастей а от 5 до 0 град., достигнуто максимальное значение пропускной способности Q = 1,34 т/ч при фиксированных значениях факторов: X] = 1 (п = 900 мин-1), х2=-1 (г = 16 шт.)х. = 1 (Б = 0,2 м).

Анализ поверхности отклика (рис. 4.13, б) при значениях факторов х] = 1, х2 = -1 и х. = 1, говорит, что достигнуто минимальное значение удельных энергозатрат Э = 3,61 кВт-ч/т. Следовательно, данное значение достигаем при высоте установки питающего устройства относительно рабочей зоны плющения И от 355 до 370 мм и угол наклона лопастей вальца а от 0 до 2 град.

Анализ поверхностей откликов (рис. 4.10.4.13) позволил выбрать величины фиксированных значений факторов х] = п = 900 мин-1, х. = Б = 0,2 м, х4 = И = 370 мм, так как при них достигаются наилучшие показатели критериев оптимизации у1 и у2.

а

б

Рисунок 4.14 - Поверхности отклика, характеризующие пропускную способность Q, т/ч (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/т (б) в зависимости от угла наклона лопастей а и числа лопастей вальца г, при фиксированных факторах х] = 1 (п = 900 мин-1), х. = 1 (Б = 0,2 м), х4 = 1 (И = 370 мм)

Поверхность отклика (рис. 4.14, а) показывает что, уменьшая число лопастей вальца г с 21 до 16 шт. и уменьшая угол наклона лопастей вальца а от 3 до 0 град., достигаем максимального значения пропускной способности Q = 1,36 т/ч, при фиксированных значениях факторов: = 1 (п = 900 мин-1), х3 =1 (О = 0,2 м), х4 = 1 (И = 370 мм).

Минимальное значение удельных энергозатрат составит Э = 3,7 кВт-ч/т (рис. 4.14, б), при этих же значениях факторов, а изменяемые факторы будут следующими: число лопастей вальца г в интервале от 16 до 22 шт. и угол наклона лопастей вальца а от 0 до 4 град.

Таким образом получили следующие критерии оптимизации имеющие максимальное значение пропускной способности Q = 1,34.1,37 т/ч и минимальное значение удельных энергозатрат Э = 3,6. 3,7 кВт-ч/т.

Анализируя полученные экспериментальные данные, пришли к следующему: наибольшее влияние на величину критериев оптимизации оказывает сочетание факторов конструктивно-технологического характера - диаметр вальца и частота его вращения, при этом частота вращения вальца питающего устройства в большинстве случаев наиболее эффективна только для значений п от 800 до 900 мин-1 и является оптимальной, поэтому данный фактор необходимо включить в дальнейшие исследования и принять интервал варьирования данного фактора от800 до 900 мин-1.

В ходе исследований было выявлено, что наибольшее влияние на критерии оптимизации оказывают: диаметр вальца питающего устройства О в интервале от 0,12 до 0,2 м и высота установки питающего вальца относительно рабочей зоны плющения И в интервале от 320 до 370 мм.

Так как для дальнейшей оптимизации необходимо изменить интервал варьирования фактора х1 - частота вращения вальца питающего устройства с 800 до 900 мин-1 и математическая модель регрессии (4.2) неадекватна, то необходимо применять полный факторный эксперимент второго порядка.

4.3.2 Оптимизация конструктивно-технологических параметров

Анализируя проведенные исследования в разделе 4.3.1, необходимо выделить основные факторы для дальнейшей оптимизации. Для этого используем методику, приведенную в разделе 3.5, и занесем полученные ранее данные в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 - Анализ и выбор факторов по наилучшим значениям критериев оптимизации

Двумерные сечения по сочетанию факторов Фиксированные значения факторов Оптимальные значения критериев оптимизации Наилучшие оптимальные значения критериев оптимизации Сочетания факторов, при наилучших критериях оптимизации

д! д2 дз д4 д5 Q, т/ч Э, кВтт/ч Q, т/ч Э, кВтт/ч

д!д3 - -1 - +1 -1 1,35 3,60 - 3,60 д1д4; д4д5; д2д3 д2д5;

д2д3 + 1 - - +1 -1 1,34 3,70 - - -

д!д4 - -1 +1 - -1 1,37 3,61 1,37 - д1д3, д^д5;

д4д5 + 1 -1 +1 - - 1,34 3,61 - - -

д2д5 + 1 - +1 +1 - 1,36 3,70 - - -

£ 4 3 3 3 3

Анализируя таблицу 4.4, видим, что фактор д1 - частота вращения вальца питающего устройства, при его фиксированном значении повторяется больше всех (4 раза), соответственно данный фактор надо будет учитывать с учетом высказанных предположений и выводов ранее.

Факторы д2 (число лопастей вальца), д3 (диаметр вальца питающего устройства), д4 (высота установки питающего вальца относительно рабочей зоны плющения), д5 (угол наклона лопастей вальца) повторяются одинаковое число раз. Выделив наилучшее оптимальное значение критериев оптимизации, видим, что для удельных энергозатрат Э = 3,60 кВтт/ч наилучшими сочетаниями являются д1д4; д2д3; д^5 и д2д5. Для пропускной способности Q = 1,37 т/ч оптимальным является сочетания факторов д!дз и д,фд5. Фактор д2 и д3 в сочетаниях повторяются

два раза, но фактор х2 влияет только на один критерий оптимизации, нежели фактор х3, из этого следует, что фактор х2 будет исключен из дальнейших исследований.

Таким образом, для дальнейшей оптимизации необходимо оставить следующие факторы: XI (частота вращения вальца питающего устройства), х3 (диаметр вальца питающего устройства) и х4 (высота установки питающего вальца относительно рабочей зоны плющения), но фактор х5 (угол наклона лопастей вальца) нельзя учитывать в дальнейших исследованиях, так как его фиксированное значение во всех опытах составляет х5 = -1 (а = 0°). Значение данного угла нельзя делать отрицательным, так как для обеспечения технологического процесса это не допустимо, потому что для такого типа питающих устройств угол наклона лопастей должен быть направлен в сторону вращения питающего вальца.

Реализована матрица полного факторного эксперимента второго порядка.

-5

Матрица плана 3 и результаты исследований представлены в таблице 4.5 и 4.6. Интервалы и уровни варьирования факторов были выбраны на основании проведённых ранее исследований в разделе 4.3.1.

Таблица 4.5 - Факторы и уровни варьирования

Факторы

Частота

Уровни вращения вальца Высота установки

варьирования питающего Диаметр вальца Д м питающего устройства

факторов устройства п, мин-1 к, мм

х1 х2 хз

Верхний уровень (+) 900 0,2 370

Нулевой уровень (0) 750 0,16 345

Нижний уровень (-) 800 0,12 320

Таблица 4.6 - Матрица плана 3 и результаты экспериментальных исследований

№ п/п Факторы Критерии оптимизации

Частота вращения вальца питающего устройства п, мин-1 Диаметр вальца Д м Высота установки питающего устройства И, мм Пропускная способность, Q, т/ч Удельные энергозатраты Э, кВтч/т

д\ д2 д3 У1 Уз

1 3 4 5 6

1 -1 -1 -1 0,98 4,48

2 -1 -1 0,986 4,51

3 1 -1 -1 0,995 4,58

4 -1 0 -1 1,12 4,16

5 0 -1 1,129 4,15

6 1 0 -1 1,14 4,2

7 -1 1 -1 1,22 3,895

8 1 -1 1,27 3,84

9 1 1 -1 1,242 3,85

10 -1 -1 0 0,985 4,52

11 -1 0 1,02 4,47

12 1 -1 0 1,049 4,4

13 -1 0 0 1,12 4,15