close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности процесса приготовления кормов в условиях малых форм хозяйствования

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Булатов Сергей Юрьевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА
ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ
В УСЛОВИЯХ МАЛЫХ ФОРМ ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ
05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского
хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Чебоксары – 2018
1
Работа выполнена в ГБОУ ВО «Нижегородский государственный
инженерно-экономический университет»
Научный консультант –
Савиных Петр Алексеевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Цой Юрий Алексеевич, член-корреспондент
РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом «Механизация и автоматизация процессов в животноводстве» ФГБНУ
«Федеральный научный агроинженерный
центр ВИМ»;
Горбунов Борис Иванович, доктор технических
наук, профессор, заведующий кафедрой «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО «Нижегородская
государственная сельскохозяйственная академия»;
Коновалов Владимир Викторович, доктор
технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет»;
Ведущая организация –
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Казанский государственный аграрный университет»
Защита состоится «___»__________201_ г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Чувашская государственная
сельскохозяйственная академия по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса,
29, ауд.222. Факс (8352) 62-23-34,e-mail: info@academy21.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
Чувашская ГСХА в сети интернет по адресу www.academy21.ru в разделе «Диссертационные советы» от 26 сентября 2018 г.
Автореферат разослан «___»______________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук
Алатырев С.С.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Современное животноводство ориентировано на повышение продуктивности животных и получение максимальной
экономической эффективности за счет концентрации производства на крупных
комплексах. Но вместе с этим возникают вопросы логистики, связанные с заготовкой кормов, проблемы экологического характера, деградации сельхозугодий,
наблюдается резкое снижение продуктивного долголетия животных, являющееся
причиной частого обновления стада, ухудшению демографического положения
на селе и снижению уровня жизни сельского населения. С целью поддержания и
развития всех малых форм крестьянского и фермерского хозяйствования, на долю которых приходится более половины валовой продукции сельскохозяйственной отрасли, государством реализуется программа развития сельского хозяйства
на 2013 – 2020 годы, результатом которой должно стать создание к 2020 г. новых
14 тыс. крестьянских (фермерских) хозяйств, более 42 тыс. рабочих мест, а также
увеличение производства молока на 675 тыс. т и прирост сельскохозяйственной
продукции на 7,4 %, произведенной малыми формами хозяйствования. Также
принята Федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства на 2017‒2025 годы, направленная на обеспечение роста производства сельскохозяйственной продукции, полученной в том числе за счет применения технологий производства высококачественных кормов, кормовых добавок для животных, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия. При этом снижение уровня импортозависимости за счет внедрения
и использования технологий производства высококачественных кормов, кормовых добавок для животных должно составить не менее 25 %.
Но в отличие от крупных предприятий процесс кормоприготовления в
условиях малых предприятий должен строиться, исходя из условий кормовой
базы хозяйства. Поэтому обеспечение ресурсоэнергоэкономичности и низкозатратности производства кормов в условиях малых форм хозяйствования на сегодняшний день является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства.
Настоящая работа направлена на решение проблемы, связанной с повышением эффективности процесса кормоприготовления в условиях малых форм
хозяйствования за счет использования кормоприготовительных технических
средств, ориентированных на кормовую базу хозяйств и кормовой потенциал
смежных отраслей. Работа выполнена в рамках государственной программы
развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной
продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы, утвержденной правительством Российской Федерации, постановление № 717 от 14 июля 2012 г. и
Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на
2017 ‒ 2025 годы, утвержденной правительством Российской Федерации, постановление № 996 от 25 августа 2017 г.
Цель работы: повышение эффективности процесса приготовления кормов
в условиях малых форм хозяйствования совершенствованием существующих и
разработкой новых технологических линий и технических средств.
3
В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований:
- обосновать с применением системного подхода, совмещенного с принципом объединения и замены технологических операций, методы повышения
эффективности процесса производства кормов в условиях малых форм хозяйствования и разработать на их основе комплекс кормоприготовительного оборудования;
- получить аналитические зависимости функционирования кормоприготовительных технических средств для обоснования их конструкционных и технологических параметров;
- обосновать экспериментальным путем параметры технологических процессов приготовления кормов в условиях малых форм хозяйствования и конструкционные параметры технических средств для их реализации;
- провести моделирование типоразмерного ряда кормоприготовительных
машин на основе теории подобия и анализа размерностей в сочетании с теорией
планирования эксперимента;
- провести производственные испытания разработанных технических
средств приготовления кормов, расчет технико-экономических и энергетических показателей, внедрить их в производство и разработать рекомендации по
их выбору.
Концепция решения проблемы заключается в обосновании с применением системного подхода методов повышения эффективности процесса производства кормов в условиях малых форм хозяйствования и разработке на их основе комплекса кормоприготовительного оборудования.
Объекты исследований: технологические линии и технические средства
для производства кормов в условиях малых форм хозяйствования.
Предмет исследований: закономерности технологических процессов
производства кормов разработанных технологических линий и технических
средств.
Научную новизну работы составляют:
- концептуальная модель производства кормов в условиях малых форм
хозяйствования;
- аналитические выражения для определения: конструкционных параметров элементов системы загрузки и очистки зернового вороха; условий взаимодействия зерновки с рабочими органами дробилок, положения частиц зернового вороха в камере измельчения дробилок зерна; условий взаимодействия корнеклубнеплода с режущим ножом; энергоэффективности смесителяферментатора;
- регрессионные модели функционирования элементов системы загрузки
и очистки зернового вороха, дробилок зерна с пневматической и принудительной подачей зернового вороха, измельчителя корнеклубнеплодов и смесителяферментатора;
- новые технические решения кормоприотовительных машин и их рабочих
органов, защищенных патентами РФ на изобретения и полезные модели.
4
Теоретическая и практическая значимость работы. Аргументированы
с применением системного подхода подходы к производству кормов в условиях
малых форм хозяйствования путем объединения нескольких технологических
операций и создания новых технических средств для решения проблемы сбалансированности кормов и повышения энергоэффективности их производства.
Разработаны математические методы расчета основных параметров технических средств для производства кормов и их рабочих органов и описания их
взаимодействия с компонентами кормов.
Результаты исследований доведены до стадии практического применения,
переданы ЗАО «Доза-Агро» Нижегородской области и используются при проектировании и изготовлении серийно выпускаемых пневмосепараторов и эжекторов, включенных в технологическую линию комплексов по производству
рассыпных комбикормов, горизонтальных смесителей, предназначенных для
приготовления белково-витаминно-минеральных концентратов и комбикормов,
и пневматических дробилок кормов, предназначенных для дробления сыпучих
материалов растительного происхождения.
Результаты исследований также внедрены в ЗАО «Покровская слобода»
Нижегородской области, используются в учебном процессе на инженерных факультетах Нижегородского государственного инженерно-экономического университета и Вятской государственной сельскохозяйственной академии при подготовке специалистов высшего и среднего звена.
Результаты использования проведенных исследований подтверждены соответствующими документами.
Методология и методы исследований. Исследования проведены на основе
системного подхода к решению задач кормопроизводства с использованием законов механики, термодинамики, аэро- и гидродинамики, с применением численных методов. Предметами исследования выбраны процессы транспортирования и очистки зернового вороха в неразрывном воздушном потоке, измельчения
зерна и корнеклубнеплодов, смешивания компонентов кормовых смесей, экспериментальные и опытные образцы загрузочных устройств, пневмосепаратора,
дробилок зерна с пневматической и принудительной подачей зерна, измельчителя корнеклубнеплодов, смесителя-ферментатора. Экспериментальная часть работы выполнялась с использованием стандартных и частных методик и применением современных измерительных и вычислительных приборов и оборудования, компьютерных программ для обработки статистической информации.
Положения, выносимые на защиту:
- концептуальные аспекты разработки и исследования техники для приготовления кормов и совершенствования технологических режимов ее работы в
условиях малых форм хозяйствования;
- аналитические выражения для обоснования способов повышения эффективности функционирования технических средств для приготовления кормов;
- модели регрессий рабочих процессов технических средств для подачи,
очистки и измельчения зерна, измельчителей корнеклубнеплодов, смесителей ферментаторов, их оптимальные конструкционные параметры и режимы работы;
5
- результаты моделирования типоразмерного ряда кормоприготовительных
машин путем сочетания теории подобия и анализа размерностей с теорией планирования эксперимента;
- результаты производственных испытаний разработанных технических
средств приготовления кормов и расчета технико-экономических показателей.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность выводов и предложений подтверждается результатами теоретических расчетов,
лабораторных и производственных исследований.
Научные исследования проводились в ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет» в период с 2007 по 2017
гг. Часть исследований проводилась совместно с учеными ФГБОУ ВО «Вятская
государственная сельскохозяйственная академия».
Основные положения диссертационной работы доложены на международных научно-практических конференциях Вятской ГСХА (Киров, 2008, 2009,
2010 и 2017 гг.), Нижегородского государственного инженерно-экономического
университета (2011…2017 гг.), ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии (г. Подольск 2010, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.), ФГБНУ ВИЭСХ (Москва, 2016 г.), РУП
«НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства» (Минск, 2017 г.),
Технолого-природоведческом институте (г. Варшава, 2013, 2014, 2016, 2017 г.),
международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского
хозяйства» (Йошкар-Ола, 2009, 2010, 2012, 2013, 2014 гг.), международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве», посвященной 70-летию со дня образования, на ХVII и
XVIII Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 2012…2013 гг.); на V Российском форуме «Российским инновациям – российский капитал», X ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов
(г. Нижний Новгород, 2012 г.), в областном конкурсе молодежных инновационных команд «РОСТ-2011».
По теме диссертации изданы 3 монографии, опубликовано 25 статей в ведущих рецензируемых журналах и 43 статьи в материалах международных
конференций, получено из Роспатента 12 охранных документов на изобретения
и полезные модели. Общий объем публикаций составляет 77,7 усл. п. л., из которых доля авторского вклада – 45 %.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, восьми разделов, общих выводов, списка литературы и приложений,
изложена на 425 страницах машинописного текста, включая библиографию из
355 наименований, 85 рисунков, 41 таблицу и 20 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая ценность работы,
а также основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Современное состояние проблемы приготовления
кормов и задачи исследований» дана оценка современного состояния процесса
6
приготовления кормов и средств его механизации, сформулированы направления исследований.
Анализ современного состояния сельского хозяйства позволяет сделать вывод, что его интенсивное развитие возможно за счет поддержки малых сельскохозяйственных товаропроизводителей в общем и их животноводческой отрасли в
частности. Интенсификация животноводства в этом случае через призму кормоприготовления возможна за счет улучшения качества приготавливаемых кормов с
применением высокоэффективного, малозатратного оборудования.
Современное кормоприготовительное оборудование, предлагаемое промышленностью узкоспециализировано и в основном высокопроизводительно,
обладает высокими металло- и энергоемкостями, а качество кормов, приготовленных на таком оборудовании, в некоторых случаях не соответствует зоотехническим требованиями и рекомендациям ГОСТ.
В результате анализа научных работ пришли к выводу, что оценка работы
кормоприготовительного оборудования должна проводиться системно, комплексно, через несколько критериев ‒ энергоэффективности производства кормов с одновременной оценкой их качества.
В результате проведенного анализа сформулированы цель и задачи научных исследований.
Во втором разделе «Результаты теоретических исследований по обоснованию конструкционных и технологических параметров рабочих органов технических средств для приготовления кормов» представлена модель приготовления
различных видов кормов в условиях малых форм хозяйствования.
В предлагаемой модели учтено использование имеющихся ресурсов кормовой базы хозяйства и возможность применения побочных продуктов пищевой отрасли, а для исследования эффективности кормоприготовления в условиях малых сельскохозяйственных предприятий считаем целесообразным применение системного подхода.
Схема состоит из трех блоков (рис. 1). Первый определяет условия производства кормов в условиях малых форм хозяйствования с учетом их кормовой
базы и физико-механических свойств элементов кормовой смеси. С применением системного подхода проводится анализ отдельных технологических процессов, входящих в производственный цикл кормоприготовления, и технических
средств для его реализации.
Через критерии энергоэффективности и качества кормов выявляются основные проблемы процесса кормоприготовления (блок 2) и предлагаются методы их решения с учетом имеющихся экспериментальных данных и использованием научных методик (третий блок). Результатом исследований
должно стать энерго, ресурсосбережение и повышение эффективности приготовления кормов в условиях малых форм хозяйствования.
На основе предложенной концепции и в результате системного анализа
существующих технологий, технологических линий и технических средств
производства кормов выявлены основные проблемы и предложена технологическая линия для производства кормов в условиях малых сель7
скохозяйственных предприятий (рис. 2). Предложенная технологическая линия
позволит уменьшить количество операций и машин, задействованных в приготовлении кормов в малых сельскохозяйственных организациях, снизить энерго, металло-, трудозатраты.
Рисунок 1 ‒ Концептуальная модель приготовления кормов в условиях малых
форм хозяйствования
8
Рисунок 2 ‒ Технологическая линия приготовления различных видов кормов в
условиях малых форм хозяйствования: 1 ‒ погрузка; 2 ‒ транспортирование; 3 ‒
измельчение грубых кормов; 4 ‒ измельчение корнеклубнеплодов; 5 ‒ погрузка
зернового вороха воздушным потоком; 6 ‒ очистка зернового вороха в воздушном
потоке; 7 ‒ измельчение зернового вороха в дробилке зерна с пневматической подачей; 8 ‒ измельчение зерна в дробилке с принудительной подачей; 9 ‒ смешивание (смешивание и ферментирование)
Обоснование оптимальных условий и режимов работы кормоприготовительных машин должно проводиться с учетом теоретических предпосылок и экспериментальных исследований их технологических процессов. Далее приведены
результаты теоретических исследований по обоснованию конструкционных и
технологических параметров кормоприготовительных машин.
При анализе работы технологической линии переработки концентрированных кормов с пневматической подачей зерна выявлена проблема ‒ высокие сопротивления движению воздуха элементов линии. Снизить их можно за счет создания оптимальных условий течения воздуха в каждом элементе комбикормового агрегата. Одним из элементов технологической линии является эжектор, который предназначен для подачи зерна из буртов в камеру измельчения дробилки.
Получены выражения для расчета пропускной способности загрузочных
устройств, являющихся элементами комбикормового агрегата, и служащих для
подачи зернового вороха в дробилку с вентилятором (рис. 3).
D
b
F
DQ
r1
r2
C
E
r1
DQ
b
r2
r5
r3
Q
r4
vF r5
r3
Q r4
H
A
vF
r5
Q r3
H
B
vF
r5
Q r3
H
H
vF
DQ
b
r1
r2
DQ
b
r1
r2
а
б
в
г
Рисунок 3– Схемы для определения боковой площади входного кольцевого зазора в эжекторах различных конструкций
9
Выражение для определения пропускной способности эжектора, показанного на рис. 3 а, имеет вид:
 Dр1
Dр2 2 
QЭ  2    к    
 (2r5  H  sin b  cos b )  к  H  sin b 
 r1  ,


1
2


(1)
где Δр1 – общие потери давления воздуха, связанные с конструкцией эжектора,
Па; Δр2 – общие потери давления воздуха, связанные с сопротивлением зернового слоя, Па; ξ1– коэффициент сопротивления, связанный с конструкцией
эжектора; ξ2 – коэффициент сопротивления зернового слоя;  – плотность воздуха, кг/м3.
Пропускная способность загрузочного устройства, изображенного на рис.
3 б, определяется по формуле:
если H  r3  r5 , то
 2    Dр1 2
2    Dр2 2 
QЭ  
(r3  r52 ) 
 r1     к.
1
2


(2)

2    Dр1
2    Dр2 2 
QЭ   2  r5  Н 

 r1     к.


1
2


(3)
если H  r3  r5 , то
Для загрузочных устройств, изображенных на рис. 3 в, г, при условии, что
перпендикуляр, соединяющий конфузоры, меньше значения r3-r4, пропускная способность определяется по выражению (1). В противном случае – по формуле:

2    Dр1
2    Dр2 2 
QЭ   (r32  r42 ) 

 r1     к.
(4)
1
2


По выражению (1) рассчитана теоретическая пропускная способность
эжектора (рис. 3, а) при коэффициенте концентрации зерна к = 3 и угле диффузора 30°. На рис. 4 представлены сравнительные графики пропускной способности эжектора в зависимости от площади кольцевого зазора.
Рисунок 5 – Схема действия сил на частицу
Рисунок 4 ‒ Сравнительные зернового вороха в вертикальном сепарихарактеристики пропускной рующем канале: 1 ‒ входной патрубок; 2 ‒
способности эжектора по схе- частица; 3 ‒ перфорированное дно; 4 ‒ верме 3, а с углом диффузора 30°
тикальный сепарирующий канал
10
Из графиков видно, что формы кривых полностью идентичны. При высоких
значениях пропускной способности погрешность в расчетах не превышает 10 %.
При площади кольцевого зазора до 2·103 мм2 опытная кривая располагается значительно ниже теоретической, что свидетельствует об изменении величины коэффициента концентрации зерна в воздухе в зависимости от режима работы установки.
Так как вместе с зерном воздухом увлекаются сорные минеральные примеси,
негативно сказывающиеся на качестве готового корма и ресурсе рабочих органов,
возникает необходимость в его очистке. При этом с целью снижения энергозатрат
и металлоемкости, упрощения конструкций очистительных машин очистку зернового вороха необходимо осуществлять, используя потенциал воздушного потока.
Для этого нами разработан пневмосепаратор, в котором отделение крупных примесей осуществляется в вертикальном сепарирующем канале (ВСК) за счет разных аэродинамических свойств, мелких ‒ на сепарирующей решетке под действием сил инерции за счет различия зерна и примесей в геометрических размерах.
Движение единичной частицы воздушно-продуктового потока в вертикальном сепарирующем канале (ВСК) (рис. 5) описывается уравнениями:
 X (Dt )  x0  (kпu01 x0  kпu01 (0, 23 y 4  0, 23 y 3  0, 03xy 2  0,14 y 2 ))Dt ;

4
3
2
2
Y (Dt )  y0  (kпu01 y0  kпu01 (0, 25 y  0, 26 y  0, 03xy  0,11y )  g )Dt ; (5)
 Z (Dt )  z  k u z Dt.
0
п 01 0


Dt 2
4
3
2
2
x
(
D
t
)

x
D
t

(

k
u
x

k
u
(0,
23
y

0,
23
y

0,
03
xy

0,14
y
))
;
0
п 01 0
п 01

2

Dt 2

4
3
2
2
y
(
D
t
)

y
D
t

(

k
u
y

k
u
(0,
25
y

0,
26
y

0,
03
xy

0,11
y
)

g
)
;

(6)
0
п 01 0
п 01
2


Dt 2
z
(
D
t
)

z
D
t

k
u
z
.

0
п 01 0
2

Выражения для определения скорости и положения частицы в криволинейном канале (КСК) (рис. 6) имеют вид:
2

u01
 kпu01n0  kпu01 (3, 62r 4  3, 25r 3  2,51r 2  2,55r  1,33 r )
 N (Dt )  n0  (
r

 g sin  )Dt ;

(7)
T (Dt )    (k u   k u (3,54r 3  2, 25r 2  3,53r )  g cos  )Dt ;
0
п 01 0
п 01


 Z (Dt )  z0  kп u01 z0  Dt.
2

u01
 kпu01 x0  kпu01 (3, 62r 4  3, 25r 3  2,51r 2  2,55r  1,33 r )
n(Dt )  n0 Dt  (
r

2
Dt

 g sin  )
;


2

2
(8)
 (Dt )   Dt  (k u   k u (3,54r 3  2, 25r 2  3,53r )  g cos  ) Dt ;
0
п 01 0
п 01

2

2
 z (Dt )  z  k u z Dt .
0
п 01 0


2
11
Рисунок 6 – Схема действия сил на частицу зернового вороха в криволинейном сепарирующем канале
‒ Кп = 0,05м-1;
‒ Кп = 0,8 м-1
Рисунок 7 – Траектории движения
частиц в каналах пневмосепаратора
На основании выведенных зависимостей (5), (6), (7), (8) построены траектории движения частиц с различными коэффициентами парусности (рис. 7). Как
видно, тяжелые примеси (Кп = 0,05м-1) оседают в камере для крупных примесей.
Причем максимальная высота вертикального канала, на которую поднимаются
крупные примеси, не превышает 0,4 м. Зерно и мелкие примеси (Кп = 0,8 м-1) в зависимости от координат входа в вертикальный сепарирующий канал, пролетая
часть КСК, движутся по сепарирующей решетке (рис. 8), необходимая длина ячейки которой определяется по выражению:
2
  v  v 2  2a  ( y  y )  a   v  v 2  2a  ( y  y ) 
y
y
y
B
A 
y
y
y
B
A 
x B  x A  v x  
 x  

 . (9)
ay
ay

 2 




По выражению (9) определили среднее значение размеров отверстий сепарирующей решетки: при движении частицы с горизонтали на вертикаль ‒
25мм, а при движении с вертикальной плоскости на горизонтальную – 26 мм.
Очищенное от примесей зерно из пневмосепаратора поступает на измельчение в дробилку зерна. Повысить эффективность ее рабочего процесса можно за
счет своевременного вывода готового продукта из камеры измельчения путем
формирования оптимальных условий движения воздушного потока. Поток воздуха генерируется совмещенным узлом дробилки (рис. 9). Воздух от центра вентилятора к его периферии движется за счет действия центробежной силы. Кинетическая энергия относительного движения воздуха, а также работа центробежной силы преобразуются в полное давление воздуха на стенки канала. При движении в канале, образованном двумя лопатками, воздух получает от вентилятора
энергию, что ведет к изменению его абсолютной скорости от значения v1 до v2. В
свою очередь абсолютная скорость v складывается из относительной u и переносной vП скоростей (рис. 10). Решение уравнения Бернулли с учетом суммарных
потерь давления воздуха в канале позволило получить следующую зависимость:
12
P   A  h0    B  k1   Q  k2  Q2 ,
(10)
где h0, k1, k2 ‒ эмпирические коэффициенты:
h0  A  a; k1  B  b; k2  c,
(11)
где a, b, c ‒ коэффициенты аппроксимации.
Предложенная методика использована при расчете полного давления
проектируемого вентилятора.
Рисунок 9 – Модель дробилки зерна с совРисунок 8 ‒ Схема для опреде- мещенными ротором и вентилятором: 1 –
ления условий прохода частицы корпус; 2 – решето; 3 – лопатка; 4 – ротор;
сквозь отверстие сепарирующей 5 – молоток; 6 – крышка; 7 – всасывающий
патрубок; 8 – выпускной патрубок
решетки
Рисунок 11 – Схема действия сил на
зерновку при ее скольжении по лоРисунок 10 – Схема движения воздуха патке ротора
в рабочем колесе ротора-вентилятора
13
Выявлено, что в межлопаточных каналах, образованных радиальными
лопатками, местные сопротивления малы и возрастают с увеличением угла загиба лопаток, а в межлопаточных каналах, образованных загнутыми по окружности лопатками имеет место безударного течения газа.
Исследование движения частицы в камере измельчения дробилки в общем и по лопатке вентилятора в частности является важным этапом и носит
практический характер. Зная траекторию и характер движения зерновки, можно
спрогнозировать степень износа лопатки. При рассмотрении схемы движения
зерновки по лопатке (рис. 11) получена следующая зависимость:
1
N

    g  cos t      f   2  rA  cos   .
(12)

m

Неизвестное соотношение
N
равно:
m
N
   2   g  sin t     2       2  rA  sin    2   ,
(13)
m
где m − масса частицы; N − сила нормальной реакции; f – коэффициент трения;
   – угловая скорость ротора; ρ – радиус кривизны лопатки.
Решение дифференциального уравнения (12) с учетом выражения (13)
проводится численными методами для конкретного случая. В результате теоретических исследований выявлено, что при углах φ = − 9° (за исключением
случая с радиусом кривизны ρ = 60 мм), − 8°, − 7°,− 2°, − 1°, 4°, 5°, 10° сила
нормальной реакции поверхности лопатки положительна, а в остальных случаях – отрицательна. Это говорит о том, что зерновка скользит по выпуклой
стороне лопатки только до того момента, пока не приобретет переносную скорость ее движения. После этого под действием центробежной силы зерновка
отрывается от поверхности лопатки. В
остальных случаях скольжение зерновки
возможно только по вогнутой стороне лопатки. Определено, что время движения
зерновки по лопатке и величина
Рисунок 12 − Схема действия сил
на частицу в межлопаточном канале
N
возрасm
тают с увеличением радиуса кривизны. Поэтому можно утверждать, что лопатки с
большим радиусом кривизны подвержены
большему износу. Данное утверждение
подтверждено экспериментально.
Полученные
результаты
теоретических исследований являются начальными условиями движения зерновки в момент
ее схода с лопатки и служат для дальнейших
расчетов ее траектории, которая определяется выведенными на основании схемы движения зерновки (рис. 12) уравнениями:
14
 N (Dt )  n0  (kп  u01  n0  kп  u01  (18, 49  17,34  R  0,12   

 17, 41 R 2  3, 45    R  2, 46   2 )  g  sin  )  Dt;


T (Dt )   0  ( kп  u01  0  kп  u01  (0, 66  11, 48  R  13,12   

 2, 7  R 2  6,51   R  8, 07   2 )  g  cos  )  Dt.

n(Dt )  n0  Dt  (kп  u01  n0  kп  u01  (18, 49  17,34  R  0,12   

Dt 2

 17, 41 R 2  3, 45    R  2, 46   2 )  g  sin  ) 
;

2

 (Dt )   0  Dt  (kп  u01  0  kп  u01  (0, 66  11, 48  R  13,12   

Dt 2

 2, 7  R 2  6,51   R  8, 07   2 )  g  cos  ) 
.

2
(14)
(15)
На основании выведенных уравнений определено, что траектория движения зерновки находится выше лопатки, т.е. максимальный износ молотков
будет приходиться на эту зону. Проведенные теоретические исследования дробилки с пневматической подачей зернового вороха позволили спрогнозировать
напорные характеристики ротора и помочь в подборе необходимых значений его
параметров, а также смоделировать движение зерновки в камере дробилки и
определить зону интенсивного износа молотков.
В личных подсобных хозяйствах и
малых предприятиях для повышения энергоэффективности измельчения зерна целесообразно использование малопроизводительных, малогабаритных дробилок с увеличенным ресурсом рабочих органов и
принудительной подачей материала. При
этом энергоэффективность в них может
быть достигнута за счет использования
комбинированного рабочего органа и увеличения сепарирующей поверхности. Нами
предложена схема дробилки с жестко закрепленными билами, рабочая поверхность
которых расположена под углом относительно оси вращения ротора. При рассмотрении схемы взаимодействия зерновки с
билом (рис. 13) получили систему дифРисунок 13 – Схема к расчету дви- ференциальных уравнений, описывающих
жения зерновки по плоскости била движение зерновки по плоскости била:

x
mx  mg sin t   k 2  1  f т 
 m 2 x  2m z;
2
2
2

x y z

y

2
;
my  k    k  1  f т 
2
2
2
(16)
x y z


1
 
g cos t   2 z  2 x  ,
2 

1  k 

где λ–неопределенный множитель Лагранжа; k–угловой коэффициент плоскости.
15
Анализ полученных результатов
показал, что наибольшее влияние на
характер движения зерновки оказывает
параметр b. При b < 0 имеет случай
скользящего движения зерновки, а в
случае b ≥ 0 необходимо изменять vr и
ω, ориентируясь на необходимый режим ее движения.
Чтобы добиться увеличения пропускной способности и снижения энергозатрат, необходимо выполнить условие равномерной загруженности периферийного и торцевого решет. Решить
эту задачу практически возможно за
счет формирования оптимальной траектории частицы путем подбора необРисунок 14 − Схема взаимодействия ходимых значений конструкционных и
зерновки с ротором дробилки
технологических параметров ротора.
Нахождение теоретического решения задачи возможно при рассмотрении схемы взаимодействия зерновки с рабочим органом (рис. 14).
Выражения для определения скорости и положения зерновки в камере
измельчения дробилки имеют вид:
 N (Dt )  n0  (kп  u01  n0  kп  u01  (28,89  0, 03  n  0, 05   

 0, 0009  n 2  0, 0003   2 )  g  sin  )  Dt ;

T (Dt )    (k  u   k  u  (29, 78  0, 041  n  0, 056  n 2 

0
п
01
0
п
01

(17)
2
 0, 0002   )  g  cos  )  Dt ;

 Z (Dt )  z  (k  u  z  k  u  (25, 61  0,108  n  0, 052    0, 052  z 
0
п
01
0
п
01

2

 0, 001 n  0, 0002  n    0, 00015   2 )  g  sin  о )  Dt.

n(Dt )  n0  Dt  (kп  u01  x0  kп  u01  (28,89  0, 03  n  0, 05    0, 0009  n 2 

Dt 2
2

 0, 0003   )  g  sin  ) 
;

2

2
 (Dt )   0  Dt  ( kп  u01  0  kп  u01  (29, 78  0, 041 n  0, 056  n 

Dt 2
2
(18)
 0, 0002   )  g  cos  ) 
;

2

 z (Dt )  z0  Dt  (kп  u01  z0  kп  u01  (25, 61  0,108  n  0, 052    0, 052  z 

Dt 2
2
2

 0, 001 n  0, 0002  n    0, 00015   )  g  sin  о ) 
.

2
Анализ теоретических расчетов показывает, что в разработанной дробилке
при частоте вращения ротора 3000 мин-1 (314с-1), ширине бил 50 мм, угле бил 45°
и граничных координатах ввода материала в камеру измельчения х1 = 80 мм, у1=
35 мм и х2 = 0 мм, у2 = 35 мм, движение зерновки не зависит от величины b.
16
В случае отскока зерновки от била (т.е. b ≥ 0) в разработанной дробилке
зерна проход зерновки через торцевое решето наблюдается при величине х <
65мм (рис. 14), периферийное ‒ х > 65мм. При х = 65 мм зерновка ударяется в
стык решет. В случае скольжения зерновки по билу (т.е. b < 0) она проходит
через торцевое решето при х < 73мм, периферийное ‒ х > 73 мм. Для проверки
правильности теоретических выкладок проведена серия экспериментов, в результате которых установлено, что при данных параметрах через торцевое решето проходит 40 % дерти, а через периферийное ‒ 60 %. Таким образом, с помощью полученных аналитических зависимостей определены условия ввода
зернового материала, при которых периферийное и торцевое решета будут загружены равномерно.
Согласно зоотехническим требованиям корнеклубнеплоды, предназначенные для скармливания животным, должны быть нарезаны ломтиками размерами (10…15) мм для КРС, (5…10) мм для свиней и (4…5) мм для птицы. Для
решения этой задачи нами разработан, изготовлен и исследован макет измельчителя корнеклубнеплодов. Его конструкцией предусмотрено нарезание клубней на ломтики заданного размера с минимальным сдавливанием и смятием,
что позволяет снизить выделение сока и потерю питательных веществ.
При анализе движения клубня вдоль горизонтального ножа (рис. 15) получена зависимость:
x  a1  x  a2  x  a3 ,
(19)
D
D
R D
2
(m  g  вер  m  g  f  m   2  X )


m
r , a2 
r
r
, a3 
,
где a1 
J
J zc
J zc
zc
(m  2 )
(m  2 )
(m  2 )
r
r
r
2  m  
где m – масса клубня; x – скорость клубня в относительном движении; Jzc – момент инерции клубня относительно вертикальной оси Z;  r ‒ угловая скорость
поворота клубня при его качении по режущей кромке ножа без скольжения;
x  vr ‒ скорость центра масс корнеплода в относительном движении; RX – расстояние от оси Z1 (совпадает с осью вращения режущего диска) до оси X.
Решение уравнения для заданных размеров и режимов работы измельчителя
позволило получить значение силы нормальной реакции ножа на клубень в 80 Н.
Экспериментально определено максимальное значение силы резания в разработанном измельчителе – 12 Н. На основании сопоставления полученных данных
сделан вывод о необходимости установки наклонной стенки с целью гарантированного защемления клубня и недопущения его перекатывания через нож.
Для вычисления предельной величины угла наклонной стенки используем уравнение суммы моментов всех сил относительно точки соприкосновения
горизонтального ножа и клубня (рис. 16):
М 0 :  P  cos ст  (r  sin тр  r  sin  ст )  P  sin  ст  (r  cos тр  r  cos  ст ) 
 Fтр  cos  ст  (r  cos тр  r  cos  ст )  Fтр  sin  ст  (r  sin тр  r  sin  ст )  (20)
 G  r  sin тр  N  r  sin тр  0
17
Решение уравнения дает выражение
для определения угла наклона стенки αст
через величину вылета hн горизонтального ножа и радиус r корнеклубнеплода:


h 
 ст   2arctg f  arccos 1- н   . (21)
 r 

Анализ аналитической зависимости
показал, с целью снижения потерь питательных веществ необходимо стремиться
измельчать клубни меньших размеров с
максимально установленным вылетом горизонтального ножа.
Рисунок 15 ‒ Схема действия сил
на клубень в момент резания горизонтальным ножом
Учитывая особенности кормовой
базы малых форм хозяйствования, был
сделан вывод о необходимости создания
универсального
смесителяферментатора кормов, способного
смешивать сухие сыпучие и влажные
рассыпные корма, а также проводить
ферментацию, обогащая корм белком.
Опираясь на разработки Берн- Рисунок 16 ‒ Схема к изучению защемхардта, нами изобретен смешива- ления клубня между наклонной стенкой
ющий узел ленточного смесителя пе- бункера и горизонтальным ножом рериодического действия, в котором жущего диска: 1 – наклонная стенка;
витки внешнего 2 и внутреннего 3 2 – клубень; 3 – горизонтальный нож;
шнеков выполнены в виде геликоида,
4 – вал; 5 – шкив; 6 – режущий диск
то есть витки при вращении вала 4
перемещают корм не только вдоль оси и по окружности, но и в радиальном
направлении, тем самым увеличивая деформации сдвига и растяжения (рис. 17).
Вторым важным критерием работы смесителя является количество потребляемой
электроэнергии, необходимой на привод отдельного шнека, которое рассчитывали
по формуле:
Q 2 Fk  P0  D0  (  2 ) P0  D  (  2 )
(



)  ko
270 g 750
1500
1500
Wo 
,
(22)
п
где Q – производительность шнека за один цикл его работы;  линейная скорость компонентов корма вдоль оси вала шнека;
– окружное усилие, проходящее через центр давления корма;
– окружное усилие, действующее на
наружной кромке витка шнека;  угловая скорость шнека; ko – коэффициент
защемления и дробления корма; – КПД подшипниковых опор.
18
Решение уравнения позволило определить, что при соотношении параметров как в предлагаемом смесителе потребляемая мощность на 24% ниже,
чем при соотношениях параметров, как у прототипа. Выявлено, что снижение
угла геликоида с 90 до 45º энергозатраты снижаются в 1,3…1,5 раза. То есть развитие плоскостей движения корма в пространстве не только ведет к повышению
качества смешивания, но позволяет существенно снизить затраты энергии на привод рабочего органа.
Рисунок 17 – Схема смешивающего
Рисунок 18 – Схема для составления
органа смесителя: 1 ‒ скребки; 2 ‒
теплового баланса в смесителевнешний шнек; 3 ‒ внутренний шнек;
ферментаторе
4 ‒ вал
Смеситель изготовлен с возможностью получения в нем ферментированных кормов, при приготовлении которых необходимо строгое соблюдение
параметров питательной среды – температуры и влажности. В связи с этим проведен расчет по определению температуры питательной смеси и затрат электроэнергии на поддержание заданной температуры для разработанной конструкции
смесителя-ферментатора (рис. 18). Выражение для расчета температуры питательной среды для разработанной конструкции имеет вид:
b  Т 2  c  y,
(23)
 k22
k3 b
180k4 r12   360  b   L
b


k


,
где


2
k

k
360

b
360

b
L
180
m
с




п .с . п .с .
 1 2

2
 k2 k1
 Pk2

360  b
b k4  r1   L
1
c  

 k3 

Т 3  
 Qбак 
,

180
L  mп.с.сп.с.
  k1  k2  180
  k1  k2 
 mп.с.  сп.с.
 k2

k3 b
180k4 r12   360  b   L 
2



k



Т



2
2 нач
360  b  360  b  L  180mп.с.сп.с. 
    k1  k2 



b k4  r12   L
  k2 k1 360  b
 b
y    

 k3 

Т3 

 .e ,
k

k
180
180
L
m
с


1
2
п
.
с
.
п
.
с
.

 

 


1
   Pk2  Qбак 

 m с
   k1  k2 

 п .с . п .с .


19
Вт
; mп.с. масса питательной смем2  К
си, кг; сп.с. теплоемкость питательной смеси, Дж/кг∙К; Р  мощность нагревательного элемента, Вт; τ  время нагрева, с.
Удельные энергозатраты при нагреве wуд определяли по формуле:
k1, k2 , k3  коэффициенты теплопередачи,
wуд 
3600  P  Dt
,
m  Tк  Т н 
(24)
где m  масса питательной среды, кг; Тк, Тн  температуры питательной среды в
конце и начале нагрева, К.
Анализируя полученное уравнение, пришли к выводу, что для снижения
энергозатрат при приготовлении ферментированных кормов можно
рекомендовать уменьшать угол обхвата корпуса смесителя нагревательным
элементом до 90°.
В третьем разделе «Экспериментальные исследования устройств загрузки и очистки фуражного зерна» представлены результаты исследований
по изучению рабочего процесса загрузочных устройств и пневмосепаратора.
На первом этапе изучены три конструкции устройств-прототипов для подачи зернового вороха. Первый вариант эжектора отличается тем, что конфузор
1 присоединен к наружной трубе 3
меньшим основанием, диаметр которого
равен диаметру внутреннего патрубка 2
(рис. 19). В эжекторе № 2 конфузор присоединен к наружной трубе большим основанием. Кроме того на внутреннем патрубке также имеется конфузор внутреннего патрубка. Эжектор № 3 отличается от второго наличием перфорации на
Рисунок 19 – Трехмерная модель в
конфузорах. Исследовано влияние эжекразрезе эжектора-прототипа№ 1:
торов-прототипов на показатели воз1– конфузор наружной трубы;
душного режима системы загрузки. Вы2 – внутренний патрубок; 3 – наружявлено, что коэффициенты сопротивленая труба; 4 – регулировочный болт
ния эжекторов № 1,№ 2 и № 3 равны соответственно 0,17, 0,61 и 0,61. При проведении испытаний эжекторов в производственных условиях выявлено, что максимальная производительность дробилки
достигается при использовании загрузочного устройства № 1 и составляет
1960 кг/ч. При использовании эжектора № 2 максимальная производительность
дробилки составляет 1750 кг/ч, эжектора № 3 ‒ 1600 кг/ч.
На основании проведенных исследований предложена схема эжектора
(рис. 20). Исследования по определению сопротивлений движению воздушного
потока экспериментального эжектора показали, что загрузочные устройства как
с углом диффузора ψ = 30º, так и с углом ψ = 90º (рис. 20), обладают меньшими
сопротивлениями, чем аналоги № 2 и № 3, а общее падение динамического давления составило 46 % и 50 % соответственно.
20
d1

Коэффициент сопротивления
эжектора с углом диффузора ψ = 30º
составил 0,14, с ψ = 90º ‒ 0,22.
Проводились эксперименты по
определению
производительности
а
дробилки зерна при подаче экспери1 2
ментальными эжекторами зернового
вороха. Максимальная производительность дробилки при подаче зерна
эжектором с углом диффузора 30º соH
3
4
5
ставляет 2270 кг/ч (рис. 21), с углом
б
диффузора 90º ‒ 1850кг/ч. По резульРисунок 20 – Экспериментальное зататам проведенных однофакторных
грузочное устройство: а – общий вид; экспериментов можно рекомендовать
б – схема;1 – внешняя труба; 2 – внутплощадь кольцевого зазора устанавренний патрубок; 3 – диффузор; 4 – ре- ливать в интервале (3…8)·103мм2, а
гулировочный болт; 5 – транспортный угол диффузора около 30º. С целью
трубопровод
определения оптимальных параметров разработанного загрузочного устройства было проведено планирование
эксперимента. В качестве факторов принимали x1 ‒ площадь кольцевого зазора;
x2 ‒ угол диффузора; x3 ‒ диаметр диффузора. Модель регрессии имеет вид:
(25)
y  1540  639,5x1 x2  196,9 x12  304,4 x3  265,1x32  190,4 x22 .
В результате анализа модели определены следующие оптимальные значения исследуемых факторов: диаметр
входного
отверстия
диффузора
(110…115) мм, угол диффузора 30°,
площадь кольцевого зазора 56∙102 мм2.
Для очистки фуражного зерна от
увлекаемых вместе с ним воздушным потоком мелких и крупных минеральных
примесей непосредственно перед измельчением разработан сепаратор (рис.
22). Определялись параметры устройства,
при которых достигается максимальная
эффективность им очистки зернофуража
от мелких и крупных минеральных приРисунок 21 – Влияние площади коль- месей. Для определения оптимальных
цевого зазора и угла диффузора на параметров реализовали план эксперипроизводительность дробилки зерна мента первого порядка для четырех факторов: площади перфорации дна камеры для сбора крупных примесей (х4), подачи материала (х5); средней массы крупных примесей (х6) и глубины камеры
для сбора крупных примесей (х7). В результате реализации плана эксперимента
построена модель регрессии:
(26)
y  83,75-4,375x4  5,0 x6  9,375x7 .
21
6
7
8
l
5
1
R
4
3
9
11
hк
2
10
а
б
очищенный материал;
исходный материал;
мелкие примеси;
крупные примеси;
материал, очищенный от крупных примесей
Рисунок 22 – Экспериментальный пневмосепаратор: а – общий вид; б – конструкционно-технологическая схема; 1 – корпус; 2 – входной патрубок; 3, 4 –
камеры для сбора крупных и мелких минеральных примесей; 5 – сепарирующая
решетка; 6 – глухая стенка; 7 – выходное окно; 8 – магнит; 9 – крышка камеры
мелких примесей; 10 – регулирующая заслонка; 11 – крышка дробилки; hк ‒
глубина камеры для сбора крупных примесей; R ‒ радиус сепарирующей решетки; l ‒ длина отверстия сепарирующей решетки
В результате реализации поставленного плана эксперимента можно рекомендовать следующие значения исследуемых факторов: площадь перфорации дна камеры для сбора крупных примесей 570 мм2, глубина камеры 140 мм,
подача зернового вороха максимальна.
При изучении эффективности работы сепаратора в случае очистки им
зернового вороха от мелких примесей также был реализован план эксперимента
первого порядка. Исследовалось влияние подачи материала (x5), засоренности
зернового вороха (x8), радиуса сепарирующей решетки (x9) и длины отверстий
сепарирующей решетки (x10).
Построенная на основании опытных данных модель регрессии имеет вид:
(27)
y  21, 48-1,68  x8  2,63  x9  4,12  x10  1,68  x5  x10 .
С целью определения оптимальных значений радиуса и длины отверстий
сепарирующей решетки реализовали план эксперимента второго порядка.
Модель регрессии имеет вид:
y  49,07  4,8  x9  8,53  x10  5,6  x92  1,1 x9  x10  5, 2  x102 . (28)
В результате исследования эффективности работы сепаратора при очистке
зернового вороха от мелких примесей установлены следующие оптимальные параметры: подача зернового вороха 1750 кг/ч, засоренность зернового вороха 1%,
радиус сепарирующей решетки 190 мм, длина ее отверстий 26мм.
Производственная проверка комбикормового агрегата с усовершенствованной системой загрузки и очистки зернового вороха выявлено, что в слу22
чае использования в качестве загрузочного устройства разработанного эжектора производительность агрегата достигала 2,3 т/ч (рис. 23). При использовании
полностью усовершенствованной системы загрузки и очистки зернового вороха
(разработанный эжектор + пневмосепаратор) максимальная производительность
комбикормового агрегата с 2300 кг/ч снизилась до 2090 кг/ч.
Рисунок 23 – Сравнительные графики производительности комбикормового агрегата при его испытании в производственных условиях: 1 – заводской вариант комбикормового агрегата; 2 – комбикормовый агрегат с разработанным загрузочным устройством без сепаратора; 3 – комбикормовый агрегат
с разработанным загрузочным
устройством и сепаратором
В результате проведенных научных исследований разработана система загрузки и очистки зернового вороха методом эжектирования воздушным потоком,
позволяющая повысить производительность комбикормового агрегата до 15% с
возможностью очистки фуража без применения дополнительных приводных
устройств от крупных и мелких примесей с полнотой выделения соответственно
до 100 и 55%.
В четвертом разделе «Разработка и результаты экспериментальных
исследований рабочего процесса дробилок зерна» представлены результаты
исследований и оптимизации параметров дробилок зерна.
В соответствии с задачами исследований разработана дробилка зерна с
совмещенными в одном узле ротором и вентилятором (рис. 24).
а
б
Рисунок 24 – Дробилка зерна с совмещенными ротором и вентилятором: а –
общий вид; б – схема; 1 – выгрузной патрубок; 2 – ось подвеса молотков; 3 –
молоток; 4 – решето; 5 – ротор-вентилятор; 6 – крышка дробилки; 7 – вал ротора; 8 – рама; 9 – защитный кожух; 10 – электродвигатель; 11 – лопатки вентилятора; 12 – всасывающий патрубок
23
На первом этапе исследования экспериментальной дробилки изучалось влияние на ее рабочие характеристики линейной скорости лопаток вентилятора и их
ширины, выраженной через коэффициент перекрытия поперечного сечения камеры измельчения дробилки kпк, который рассчитывали как отношение площади
лопаток к площади поперечного сечения камеры измельчения. По результатам
исследований пришли к выводу: с целью улучшения аэродинамических показателей дробилки необходимо увеличить линейную скорость лопаток до 67,5 м/с и
коэффициент перекрытия до 0,76.
После определения коэффициента перекрытия kпк исследовали влияние формы
лопаток вентилятора на его показатели работы. Характеристикой формы лопаток являлись соотношение длины загнутой части лопаток L1 к их общей длине Lл = L1 + L2 и угол
наклона загнутой части лопаток αл (рис. 25).
Эффективность работы установки
оценивали
двумя
критериями:
максимальным КПД (у1), выраженным в процентах и удельными энергозатратами (у2), имеРисунок 25 – Факторы конфигу- ющими размерность кВт∙c/м3. Модели рерации лопаток
грессии имеют вид:
y1  36,5  3, 24  x11  3, 4  x13  3, 28  x14  0,11 x11  x13  2,88  x11  x14  1,95  x13  x14 , (29)
y2  3, 49  0,81 x11  0, 25  x13  0,31 x14  0,1 x11  x13  0, 27  x11  x14  0, 21 x13  x14 . (30)
Оптимальное соотношение параметров, при которых критерий у1 принимает максимальное значение 42,5 %, а критерий у2 сведен к возможному минимуму (3,74 кВт∙c/м3): υл = 67,5 м/с; L1 / Lл = 3/10; αл = 45°.
Экспериментально-теоретическими исследованиями доказано, что в межлопаточных каналах, образованных загнутыми по окружности лопатками поток
воздуха описывает профиль лопатки, двигаясь равномерно, т.е. имеет место
безударного течения газа, а характеристики таких лопаток выше, чем у лопаток
с загнутой под углом частью. Поэтому дальнейшие исследования проводились
с криволинейными лопатками различного радиуса их кривизны.
На следующем этапе исследовали радиус кривизны лопаток (х18), диаметр
отверстия (х17) наружного диска, диаметр отверстий решета (х19) и подачу зернового вороха (х5). В результате исследований определили оптимальное значения диаметра отверстия наружного диска 120 мм. По результатам проведенного
эксперимента при измельчении зернового вороха выявлено, что при диаметре
отверстий решета, равном 4 и 5 мм, наличие в дерти целых зерен в значительной степени превышает ограничительные нормы. Оптимизировать данный показатель можно за счет увеличения линейной скорости лопаток. Поэтому реализовали план Бокса-Бенкина для 3 факторов. Модели регрессии имеют вид:
у1  0,198  0,149  х11  0, 27  х19  0,083  х11  х19  0,094  х182  0,157  х192 ,
(31)
2
2
у2  0,51  0, 40  х11  0, 27  х19  0,365  x11  0, 221 x18 ,
(32)
24
у3  4,578  3,74  х11  7,84  x19  4,13  x11  x19  4,13x18  x19  6,38  x192 ,
(33)
2
у4  1,94  0,79  х11  0,96  х19  1, 24  х11 1, 22  х11  х18 ,
(34)
2
у5  3,058  0, 463  х11  0,311 х19  0,3  х11  x19  0, 406  x18 ,
(35)
2
у6  1,37  0,097  х18  0, 41 х19  0,14  x11  x19  0, 41 x19 ,
(36)
где у1 ‒ наличие в дерти целых зёрен; у 2 ‒ количество пылевидной фракции; у3 ‒
остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм; у 4 ‒ удельные затраты электроэнергии; у5 ‒ степень измельчения; у6 ‒ средний размер частиц дерти.
В результате проведенных исследований дробилки зерна с совмещенным
узлом можно рекомендовать следующие значения исследуемых параметров:
диаметр отверстия наружного диска 120 мм; радиус кривизны лопаток 45 мм,
линейная скорость лопаток 78,75 м/с, диаметр отверстий решета 3 мм. Для тех
групп животных, которым дерть, полученная на решете с диаметром отверстий
3 мм, не подходит, необходимо переработку зерна осуществлять на решетах с
диаметром отверстий 4 и 5 мм.
Проверка разработанной дробилки с найденными оптимальными параметрами в производственных условиях осуществлялась в условиях ЗАО «Покровская слобода» Нижегородаской области, в результате которой выявлено,
что качество зерна соответствует зоотехническим нормам для всех групп сельскохозяйственных животных: количество дерти на сите с диаметром отверстий
3 мм не превышало 5 %, содержание целых зерен ‒ 0,5 %, количество пыли –
0,54 %. При этом удельные затраты электроэнергии составляли не более 1,3
кВт  ч
, а производительность дробилки (250…300) кг/ч при установлент  ед.ст.изм.
ной мощности 1,5 кВт.
В соответствии с задачами исследований разработана и исследована
дробилка зерна с жестко закрепленными билами (рис. 26).
а
б
Рисунок 26 – Дробилка зерна с жестко закрепленными билами: а  общий вид;
б  схема; 1  корпус; 2  загрузочная горловина; 3  загрузочное окно; 4  ротор с билами; 5  торцевая стенка с решетом; 6  защитный кожух с выгрузным
окном
Эксперименты по исследованию рабочего процесса дробилки проводили
при различных значениях угла бил: 45, 60 и 75°. В результате опытов отмечено,
25
что увеличение угла бил ведет к значительному росту удельных энергозатрат на
измельчение (в 3 раза) и производительности (в 1,3 раза). Наиболее выровненный гранулометрический состав дерти получался при измельчении билами с
углом 60°. Наименьшее количество пыли содержалось в дерти, полученной при
измельчении билами с углом 45°, целых зерен – 60°.
С целью улучшения показателей работы дробилки приняли решение изменить условия подачи зернового вороха в камеру измельчения. Для этого в
боковой стенке корпуса дробилки были выполнены два загрузочных окна для
подачи материала: в верхней и в нижней части. После анализа результатов эксперимента сделан вывод о рациональности подачи зернового вороха через
верхнее загрузочное окно, так как энергоемкость процесса в этом случае в 1,6
раза ниже, чем при подаче через оба окна и в 2,36 раза – при подаче через нижнее окно при максимальной производительности.
Следующим этапом исследований являлось определение оптимального
угла охвата торцевого решета, а также изучение совместного влияния ряда факторов на энергоемкость процесса. Для достижения поставленной цели был реализован план эксперимента вида 251. Критерий оптимизации описывается моделью регрессии:
у  2, 44 – 0, 24 ·x20  0, 49 ·x22 – 0,50375 ·x23 – 0, 26125 ·x24 – 0,13 ·x20·x21 
–0, 2375 ·x20·x22  0, 40875 ·x20·x23  0, 2225 ·x21·x22  0,19375 ·x21·x23 
(37)
–0, 44625 ·x21·x24 – 0,34875 ·x22·x23  0, 26125 ·x22·x24  0, 06 ·x23·x24 ,
где x20 ‒ угол обхвата торцевой стенки сепарирующей поверхностью; х21 ‒
диаметр отверстий торцевого решета; х22 ‒ угол бил; х23 ‒ частота вращения
бил; х24 ‒ подача материала
В качестве оптимальных значений исследуемых факторов на данном этапе исследований приняты: угол обхвата торцевой стенки сепарирующей поверхностью 235°, диаметр отверстий торцевого решета 4 мм; угол бил 60°; частота вращения бил 3000 мин-1; подача материала минимальна.
С целью увеличения производительности дробилки и снижения энергозатрат на измельчение зерна принято решение об увеличении площади решет за
счет постановки дополнительного ‒ периферийного.
Исследовали влияние условия вывода дерти через периферийное решето
на показатели работы дробилки при измельчении зерна с различными углами
бил при их частоте вращения 3000 мин-1 и подаче зернового вороха 150 кг/ч.
Влияние условий вывода дерти изучали путем установки на периферийное решето заглушки, выполненной в виде хорды с углом 90°, в разных четвертях камеры измельчения (рис. 27).
Анализ полученных результатов показывает, что большая часть (от 60 до
80 %) дерти проходит через периферийное решето. Наиболее равномерное соотношение наблюдается при угле бил 45°, которое является переломным, что
еще раз подтверждает наш вывод о скольжении зерновок по плоскости бил при
их малом угле и прямом ударе – при больших значениях αб.
26
В результате проведенного
опыта можно рекомендовать устанавливать заслонку в 1 четверти при
измельчении зернового вороха билами с углом 45°, или в 4 – с αб = 60°.
Для определения оптимальных значений оставшихся значимых
факторов реализовали план БоксаРисунок 27 – Варианты расположение
Бенкина. Модели регрессии имеют
заглушки по четвертям
вид:
2
y1  1,85  0,22  x21  0,24  x25  0,18  x22 , y2  1,71  0,20  x21  0,27 x25  0,26  x252 , (38,39)
y3  136,5  11,38x25 –15,94  x222  17,0  x22 x25 14,82  x212  11,52  x252  22,72  x262 , (40)
y4  0,57  0, 46  x21  0,39  x25 , y5  3,67  1,31 x21  1,78  x25  1, 24  x21x25 , (41,42)
где х25 ‒ диаметр отверстий периферийного решета; х26 ‒ угол охвата периферийного решета заслонкой у1 ‒ модуль помола; у 2 ‒ удельные энергозатраты,
кВт  ч
; у3 ‒ производительность, кг/ч; у 4 ‒ содержание в дерти целых
т  ед.ст.изм.
зерен, %; у5 ‒ содержание в дерти пылевидной фракции, %
В результате проведенных исследований выявлена наиболее перспективная схема дробилки зерна с жестко закрепленными билами и определены ее
оптимальные конструкционные и режимные параметры работы: подача зернового вороха через верхнее окно; угол обхвата торцевой стенки сепарирующей
поверхностью 235°; частота вращения бил 3000 мин-1; угол бил (50…55)°; угол
охвата периферийного решета заслонкой 48°; диаметр отверстий периферийного и торцевого решет при измельчении зерна на корм: птице ‒ 5 мм, крупному
рогатому скоту ‒ 3…4 мм, свиньям ‒ 3 мм.
В пятом разделе «Экспериментальные исследования измельчителя
корнеклубнеплодов» представлены результаты исследований по изучению:
условий защемления клубня, процесса резания клубней, а также результаты оптимизационного эксперимента и производственных испытаний измельчителя.
В соответствии с целью и задачами работы была разработана и изготовлена установка для изучения резания корнеклубнеплодов с возможностью
скользящего резания (рис. 28).
С целью выявления режима движения корнеплода вдоль горизонтального
ножа при теоретическом исследовании определяли силу резания клубня этим
ножом. Выявлено, что с увеличением угла резания от 40 до 55º происходит рост
силы резания. Максимальное значение усилия резания для исследуемых углов
составило 12 Н. Сравнивая это значение с теоретическим значением усилия нормального давления со стороны ножа, пришли к выводу о необходимости установки наклонной стенки загрузочной горловины. Поэтому следующим этапом
исследований было изучение условий защемления клубня в камере измельчения.
В качестве универсальных значений исследуемых факторов при защемлении и
измельчении корнеклубнеплодов любых размеров можно рекомендовать следующие: S = 20 мм, hн = 20 мм, αст = 60º (рис. 29).
27
а
Рисунок 28  Измельчитель
корнеклубнеплодов: а –
общий вид; б – конструкционно-технологическая
схема; 1 – корпус; 2 – электродвигатель; 3 – ременная
передача; 4 – крышка; 5 –
загрузочный бункер; 6 –
наклонная перегородка; 7 –
загрузочное окно; 8 – режущий диск; 9 – отбойник;
10 – выгрузное окно; 11 –
винт режущего диска; 12 –
выгрузная горловина; 13 –
приводной вал
б
Рисунок 29 ‒ Схема определения предельного угла защемления клубня:
1 ‒ режущий диск; 2 ‒ горизонтальный нож; 3 ‒ клубень; 4 ‒ пластинка
Используя методы планирования эксперимента получена зависимость,
описывающая влияние исследуемых факторов на значение угла наклона стенки
αст:
у = 66,46 + 11,75 ∙ х27 - 20,5 ∙ х28 - 12,25 ∙ х29 + 8,19 ∙ х272 +
+ 8,5 ∙ х27 ∙ х28 + 7,5∙ х27 ∙ х29 - 7,31 ∙ х282,
(43)
х27 ‒ вылет ножа; х28 ‒ эквивалентный диаметр клубня; х29 ‒ зазор между кромкой наклонной стенки и режущим диском
Оптимальное значение предельного угла наклона стенки, гарантирующего защемление клубня, в исследуемой области достигается при резании корнеклубнеплодов меньших диаметров (60 мм) при hн = 19 мм и S = 28 мм.
После изучения условий защемления клубней горизонтальным ножом
изучалось влияние угла наклона стенки на усилие резания. По результатам
проведенного исследования выявили: угол наклонной стенки αст должен стремиться к 90°, горизонтальные ножи необходимо устанавливать под углом, не
превышающим значение 50°, с целью улучшения технологических и энергети28
ческих показателей измельчителя с одновременным улучшением качества измельчения корнеклубнеплодов необходимо увеличить количество горизонтальных ножей и скорость резания.
В результате проведенных однофакторных экспериментов определена
область исследования некоторых факторов. С целью определения их оптимальных значений проведены многофакторные эксперименты. Для этого реализовали план эксперимента первого порядка для четырех факторов.
Эффективность работы установки оценивали тремя критериями: производительностью (критерий у1), энергоемкостью измельчения (критерий у2) и
содержанием в измельченном продукте частиц размером (3…15) мм (критерий
у3). Методами математического анализа при обработке опытных данных получены модели регрессии:
у1  447,75  239,75  х30  33, 25  х31  31,75  х32  18, 25  х31  х32 ,
(44)
у2  144,99  62,65х30  30,22 х31 17,03х32  20,43х30 х31  16,18х30 х31  15, 84х31х32 , (45)
2
у3  40,99  2, 24  х32
 4,51 х30  х31  2, 21 х30  х32 – 3, 21 х31  х32 , (46)
где х30 ‒ количество ножей; х31 ‒ скорость резания; х32 ‒ угол резания горизонтальных ножей; х33 ‒ угол резания вертикальных ножей.
Реализация плана 24 позволила выявить, что для повышения характеристик
работы измельчителя необходимо увеличивать значения факторов х30, х31 и х32, а
фактор х33 не оказывает влияния на критерии работы, поэтому в дальнейшем его
можно исключить из исследования. Было принято решение дальнейшие эксперименты проводить при угле резания вертикальных ножей 45º.
Так как при реализации плана эксперимента первого порядка не были
определены оптимальные значения исследуемых факторов, был реализован
план второго порядка для трех значимых факторов. В результате обработки
опытных данных получены модели регрессии:
2
у1  708,3  197,3  х30  65  х31  196,5  х30
 91,6  х30  х31,
(47)
2
у2  75,3  45  х30  31,3  х31  43, 6  х30  40, 4  х30  х31  33, 4  х30  х32 , (48)
2
2
у3  48,6  7, 2  х31  10,6  х32  9,95  х30
 12,8  х31  х32  7,9  х32
.
(49)
В результате анализа моделей регрессии и двумерных сечений определили
оптимальное сочетание факторов, позволяющих подготовить корм нормированной фракции для всех видов групп животных (табл. 1).
Таблица 1  Режимы работы установки при измельчении корнеклубнеплодов
для различных видов групп животных
Оптимальное значение
Оптимальное значение
Вид жифактора
критерия оптимизации
вотных
x30
x31
x32
Q, кг/ч Э, Вт∙ч/т
Θ, %
Птицы
3
12
45
692
75
82
Свиньи
2
12
25
753
57
24,5
КРС
2
11
31
765
59
52,5
29
В шестом разделе «Экспериментальные исследование параметров и
режимов работы смесителя кормов» представлены результаты исследований
по изучению смешивания сухих сыпучих и влажных рассыпных кормов. С целью проверки правильности выполненных теоретических расчетов смесителя
кормов были проведены эксперименты. Для этого был изготовлен лабораторный образец смесителя (рис. 30).
а
б
Рисунок 30 – Лабораторная установка смесителя: а – общий вид; б – схема;
1 – электродвигатель; 2 – ременная передача; 3 – бункер; 4 – рабочий
смешивающий орган; 5 – рама; 6 – редуктор; 7 – скребки; 8, 9 – внешний и
внутренний шнеки
На первом этапе исследовали процесс смешивания сухих сыпучих кормов.
Для определения области оптимизации проведена серия однофакторных экспериментов по изучению влияния частоты вращения рабочего органа и времени его
работы на рабочие характеристики смесителя, определены оптимальные значения частоты вращения рабочего смешивающего органа, угла конуса геликоида
шнеков и времени смешивания, значения которых составили n = 45 мин-1, θс =
50º и tсм = (60…100) с. Для определения оптимальной конструкции смешивающего органа были проведены многофакторные эксперименты при оптимальных
значениях n = 45 мин-1 и θс = 50º. Определяли оптимальные значения конструктивных элементов шнека: высоту и шаг витков.
С целью определения оптимальных значений шага витков внешнего (х36)
и внутреннего (х37) шнеков, времени смешивания (х38), реализовали план БоксаБенкина для 3 факторов. Модели регрессии, построенные на основании опытных данных, имеют вид:
2
2
2
y1  4, 7  0,52  x36  1, 28  x37 -0,82  x38  0,93  x36
+3,89  x37
 2, 21 x38
, (50)
2
y2  1  0,34  x36  0,34  x37  0, 4  x38  0, 29  x36  0, 25  x36  x37 
(51)
2
0,31 x36  x38  0,19  x37
 0, 29  x37  x38 .
Оптимальные значения факторов находили, используя метод наложения
двумерных сечений при решении компромиссной задачи, цель которой сводилась к получению качественного корма с минимальными удельными энергозатратами. При смешивания сухих сыпучих кормов: частота вращения рабочего
смешивающего органа n = 45 мин-1; угол конуса геликоида шнеков θс = 50°; вы30
сота витков внешнего и внутреннего шнеков h2 = 50 мм и h3 = 75 мм; шаг витков
внешнего и внутреннего шнеков S2 = 105 мм и S3 = 135 мм; время смешивания
tсм = (84…108) с.
Смешивание влажных кормов проводили при найденных оптимальных
значениях факторов, которые были определены при изучении смешивания сухих
сыпучих кормов. Предварительные исследования показали, что влажный корм
при принятых значениях конструкционных и режимных параметров не смешивается, а перемещается по стенке корпуса. Поэтому частоту вращения смешивающего органа снизили, а скребки 7 (рис. 30) заменили лопатками, расположенными по спирали с шагом, равным половине длины корпуса. Была проведена серия
однофакторных экспериментов. Определяли влияние на качество корма длины
лопаток, которую изменяли в диапазоне от 20 до 80 мм, и частоты вращения вала, значение которой снижали до 25 мин-1. На основании проведенного анализа
опытных данных можно рекомендовать следующие значения исследуемых факторов: частота вращения рабочего органа (30…40) мин -1, длина лопаток (20…60)
мм, время смешивания (80…160) с.
Для определения оптимального режима работы смесителя и длины лопаток реализовали план Бокса-Бенкина. Границы варьирования факторов выбраны по результатам однофакторных экспериментов. Оценка эффективности рабочего процесса проводилась по коэффициенту неоднородности смеси и удельным энергозатратам. Рабочий процесс разработанного смесителя, оцениваемый
выбранными критериями оптимизации, описывается моделями регрессии:
2
y1  3, 2  4,56  x39  6  x38  16,56  x329  7,14  x40
 13,1 x328 ,
(52)
2
y2  0,37  0, 02  x39  0, 09  x40  0,12  x38  0, 06  x40
 0, 04  x40  x38 , (53)
где х39 ‒ длина лопаток; х40 ‒ частота вращения рабочих органов
Оптимальные значения исследуемых факторов также находили методом
наложения друг на друга двумерных сечений поверхностей откликов: угол конуса геликоида 50°, высота витков внешнего и внутреннего шнеков h2 = 50 мм,
h3 = 75 мм, шаг витков внешнего и внутреннего шнеков S2 = 105 мм, S3 = 135мм,
длина лопаток Lл = 32 мм, время смешивания tсм = 110 с, частота вращения
смешивающего рабочего органа n = 30 мин-1. При данных параметрах достигалось отличное качество смешивания (v = 5%) при минимальных удельных затратах энергии (wуд = 0,32
).
Проведены дополнительные исследования по изучению влияния усовершенствованного рабочего органа на характеристики работы смесителя при
смешивании сухих сыпучих компонентов. Опыты проводили при следующих
фиксированных значениях исследуемых факторов: n = 45 мин-1, θс= 50°, h2 = 50
мм, h3 = 75 мм, S2 = 105 мм, S3 = 135мм, Lл = 32 мм. Анализ зависимостей показывает улучшение качества смешивания при использовании усовершенствованного рабочего органа: однородность смеси повышается на (10…17) %, происходит сокращение времени смешивания на 30 с. При этом отмечено снижение энергозатрат с 1,15 до 0,9
.
31
Для проверки работы смесителя в производственных условиях, которая
проводилась в условиях ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области,
был изготовлен экспериментальный образец. Его размеры определялись с использованием теории подобия на основании полученных оптимальных значений параметров лабораторного образца.
По результататам производственной проверки установлены следующие
характеристики экспериментального смесителя:
1. При смешивании влажных кормов: мощность электродвигателя рабочего органа 6,1 кВт, частота вращения рабочего органа 55 мин -1, время смешивания (5…8) мин, полные удельные энергозатраты 1,06 (кВт∙ч)/т, коэффициент неоднородности смеси не более 15 %, производительность 10 т/ч.
2. При смешивании сухих кормов мощность электродвигателя рабочего
органа 9,2 кВт, частота вращения рабочего органа 65 мин-1, время смешивания
(4,5…7) мин, полные удельные энергозатраты 1,36 (кВт∙ч)/т, коэффициент неоднородности смеси не более 15 %, производительность 12 т/ч.
3. Мощность двигателя выгрузного шнека: 1 кВт.
4. Время выгрузки: 1 мин.
В седьмом разделе «Экономическая и энергетическая эффективность
внедренных в производство разработок» приведен анализ эффективности
функционирования разработанного кормоприготовительного оборудования.
Суммарная годовая экономия денежных средств от внедренных в производство кормоприготовительных машин от изменения качества продукции и
снижения энергозатрат составляет 236 тыс. рублей (в ценах 2017 года), а срок
окупаемости затрат не превышает 4,6 года.
Выявлено, что применение разработанного кормоприготовительного оборудования увеличивает интенсификацию процессов по сравнению с базовыми
вариантами от 7 до 38 %. То есть разработанные машины являются более эффективными за счет общего снижения энергозататрат на (7…38) %.
В восьмом разделе «Расчет типоразмерного ряда кормоприготовительных машин и предложения производству» представлены результаты моделирование типоразмерного ряда кормоприготовительных машин с использованием теории подобия и анализа размерностей с производительностью от
300 до 1500 кг/ч для пневмосепаратора, дробилок зерна и измельчителя корнеклубнеплодов и объемом бункера от 1 до 3 м3 для смесителя-ферментатора, а также даны предложения производству по приготовлению кормов.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Обоснованы с применением системного подхода, совмещенного с
принципом объединения и замены технологических операций, методы повышения эффективности процесса производства кормов в условиях малых форм
хозяйствования: создание оптимальных условий течения воздуха во всех элементах комбикормового агрегата; объединение операций измельчения и очистки зернового вороха с возможностью использования потенциала воздушного
потока, создаваемого вентилятором дробилки зерна; создание условий своевременного вывода готового продукта из камеры измельчения дробилок зерна пу32
тем формирования направленного воздушного потока; использование дисковых
измельчителей корнеклубнеплодов с реализованным в них скользящим резанием; объединение процессов смешивания, ферментации и раздачи кормов в одной машине ‒ смесителе-ферментаторе.
2. Получены зависимости, позволяющие:
- определить производительность дробилок зерна с пневматической загрузкой в зависимости от конструкции загрузочного устройства (эжектора);
- построить траектории движения частиц зернового вороха в каналах
пневмосепаратора, определить минимальные высоту вертикального пневмосепарирующего канала и длину отверстий сепарирующей решетки;
- спрогнозировать напорные характеристики вентиляторов дробилок с
пневматической загрузкой зерна в зависимости от их конструкционнотехнологических параметров и выявить характер движения воздуха в межлопаточных каналах; рассчитать траекторию движение частиц зернового вороха в
камерах измельчения дробилок зерна с пневматической загрузкой;
- определить условия ввода зернового вороха в камеру измельчения дробилки с жестко закрепленными билами, при которых периферийное и торцевое
решета загружены равномерно;
- определить конструкционные и технологические параметры дискового
измельчителя корнеклубнеплодов, при которых наблюдается скользящее резание корнеклубнеплодов; рассчитать предельное значение угла наклона стенки
бункера для гарантированного защемления клубня между ней и ножом с целью
снижения потери питательных веществ.
- обосновать конструкцию комбинированного рабочего органа одновалкового смесителя-ферментатора, позволяющую повысить качество и снизить
энергозатраты процесса смешивания кормов; провести расчет параметров
нагрева питательной среды в зависимости от конструкционных параметров
смесителя-ферментатора;
3. Экспериментально обоснованы параметры технологических процессов
приготовления кормов в условиях малых форм хозяйствования и конструкционные параметры технических средств для их реализации:
- общее падение динамического давления в системе кормоприготовительного агрегата в зависимости от конструкции эжекторов составляет (48…63) %;
разработанное загрузочное устройство, обладающее меньшими сопротивлениями, позволяет увеличить максимальную производительность комбикормового
агрегата на 15 % при оптимальных значениях параметров: диаметре входного
отверстия диффузора 100 мм, угле диффузора 30° и площади входного кольцевого зазора 56 см2;
- максимальная эффективность выделения пневмосепаратором крупных и
мелких примесей достигает 100 % и 55 % соответственно при площади перфорации дна и глубины камеры для сбора крупных примесей 570 мм 2 и 140 мм2,
радиусе сепарирующей решетки 190 мм, длине отверстий сепарирующей решетки 26 мм.
33
- оптимальными значениями основных параметров дробилки зерна с
пневматической подачей являются: диаметр отверстия наружного диска 120
мм, радиус кривизны лопаток 45 мм, линейная скорость лопаток 78,75 м/с, диаметр отверстий решета 3 мм, 4 и 5 мм в зависимости от требуемого размера
дерти. При этом удельные затраты электроэнергии составляют не более 1,3
кВт  ч
, а производительность дробилки (250…300) кг/ч.
т  ед.ст.изм.
- при принятых в теоретических расчетах значениях исследуемых параметров дробилки зерна с жестко закрепленными билами соотношение количества дерти, выводимой через торцевое и периферийное решета, составляет соответственно 40 и 60 %. При этом оптимальными конструкционнотехнологическими параметрами дробилки являются: подача зернового вороха ‒
через верхнее окно, угол обхвата торцевой стенки сепарирующей поверхностью
235°, частота вращения бил 3000 мин-1, угол бил (50…55)°, угол охвата периферийного решета заслонкой 48°, диаметр отверстий периферийного и торцевого
решет при измельчении зерна на корм: птице ‒ 5 мм, крупному рогатому скоту
‒ 3…4 мм, свиньям ‒ 3 мм. Удельные энергозатраты при измельчении зерна не
превышают значений молотковых дробилок и составляют (1…1,3)
кВт  ч
,
т  ед.ст.изм.
а качество готового продукта соответствует зоотехническим требованиям.
- рациональными конструкционно-технологическими параметрами дискового измельчителя корнеклубнеплодов являются: расстояние между плоскостью режущего диска и кромкой наклонной стенки 20 мм, высота ножа 20 мм,
угол наклона стенки относительно горизонта 60º, скорость резания для всех
групп животных 12 м/с, угол резания количество горизонтальных ножей γн =
45º и Nн = 3 при измельчении корнеклубнеплодов для птицы, γн = 25º и Nн = 2
при измельчении корнеклубнеплодов для КРС, γн = 35º и Nн = 2 при измельчении корнеклубнеплодов для свиней. При данных оптимальных параметрах
обеспечивается получение готового продукта надлежащего качества для различных групп животных с минимизацией энергозатрат на его получение
(50…65 Вт·ч/т);
- оптимальными значениями одновалкового смесителя-ферментатора с
комбинированным рабочим органом при смешивании влажных рассыпных
компонентов являются: θс = 50°, h2 = 50 мм; h3 = 75 мм; S2 = 105 мм; S3 = 135
мм; Lл = 32 мм. При смешивании сухих сыпучих компонентов n = 45 мин-1,
tсм = (70…100) с, wуд = 0,9 кВт∙ч/т. При смешивании влажных рассыпных компонентов n = 30 мин-1, tсм = 110 с, wуд = 0,32 кВт∙ч/т. С использованием теории
подобия определены конструкционно-технологические параметры смесителяферментатора с объемом бункера 3 м3: D'1 = 1480 мм, D'2 = 962 мм, D'3 = 555
мм, L' = 1850 мм, h'1 = 111 мм, h'2 = 185 мм, h'3 = 278 мм, L'см = 119 мм,
S'2 = 389 мм, S'3 = 500 мм, P'дв = 8,7 кВт, θ' = 50 °, при смешивании влажных
компонентов n' = 55 мин-1, сухих сыпучих ‒ n' = 63 мин-1, определены режимы
и показатели его работы: при смешивании влажных компонентов tсм = (5…8)
мин, wуд = 1,06 (кВт∙ч)/т, n = 55 мин-1, v ≤ 15 %, Qсм = 10 т/ч; при смешивании
34
сухих компонентов tсм = (4,5…7) мин., n = 63 мин-1, wуд =1,36 (кВт∙ч)/т,
v ≤ 15 %, Qсм =12 т/ч. Оптимальные параметры системы подогрева и поддержания оптимальной температуры питательной среды смесителя-ферментатора:
угол обхвата нагревательным элементом (90…180)°, уровень заполнения 100 %.
4. Проведено на основе теории подобия и анализа размерностей в сочетании с теорией планирования эксперимента моделирование типоразмерного ряда
пневмосепараторов и дробилок зерна производительностью от 300 до 1500 кг/ч,
измельчителей корнеклубнеплодов производительностью от 700 до 1500 кг/ч,
смесителей-ферментаторов объемом бункера от 1 до 3 м3;
5. Разработанные кормоприготовительные машины успешно прошли производственные испытания, а результаты исследований переданы ООО «ДозаАгро». Суммарная годовая экономия денежных средств от внедренных в производство кормоприготовительных машин от повышения качества продукции и
снижения энергозатрат составляет 236 тыс. рублей (в ценах 2017 года), а срок
окупаемости затрат не превышает 4,7 года. Уровень интенсификации разработанных машин по сравнению с базовыми вариантами составляет от 7 до 38 %.
Достаточно полно материалы диссертационной работы изложены в следующих работах:
Публикации в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ
1. Булатов, С.Ю. Зернодробилка с ротором-вентилятором / П.А. Савиных,
С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Сельский механизатор. Москва: ОАО «Кострома», 2012. Вып. 9. С. 9.
2. Булатов, С.Ю. Напорные характеристики дробилок зерна / П.А. Савиных, А.В. Алешкин, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Тракторы и сельхозмашины
№ 5. 2013. С. 29-31.
3. Булатов, С.Ю. Измельчитель корнеклубнеплодов / П. А. Савиных, С.
Ю. Булатов, Р. А. Смирнов // Сельский механизатор № 8. 2013. С. 40–41.
4. Булатов, С.Ю. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки
зерна с ротором-вентилятором / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев //
Аграрная наука Евро-Северо-Востока. Вып. 1. Киров: Северо-Восточный научно-методический центр Россельхозакадемии, 2013. С. 54-59.
5. Булатов, С.Ю. Определение оптимального положения загрузочного окна дробилки зерна ударно-отражательного действия / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, К.Е. Миронов // Вестник Казанского ГАУ. Вып. № 4 (30). Казань: Казанский ГАУ, 2013. С. 76–81.
6. Булатов, С.Ю. Смеситель ферментер для кормов / Н.В. Оболенский, С.
Ю. Булатов, А.И. Свистунов // Сельский механизатор. Москва: ОАО «Кострома», 2014. Вып. 4. С. 26 – 27.
7. Булатов, С. Ю. Моделирование рабочего процесса эжектора дробилки
зерна /С.Ю. Булатов // Тракторы и сельхозмашины № 5. 2015. С. 25-27.
8. Булатов, С.Ю. Экспериментально-теоретические исследования рабочего процесса смесителя-ферментера в режиме подогрева / П.А. Савиных, С. Ю.
Булатов, А.Г. Панасенко, А.И. Свистунов // Тракторы и сельхозмашины № 9.
2015. С. 23-27.
35
9. Булатов, С.Ю. Результаты исследований смешивания влажных кормов
в смесителе-ферментаторе / Н.В. Оболенский, С.Ю. Булатов, А.И. Свистунов //
Вестник НГИЭИ. № 8 (63). Княгинино: НГИЭУ, 2016. С. 71 – 79.
10. Булатов, С.Ю. Обоснование угла установки наклонной стенки загрузочного бункера измельчителя корнеплодов / П.А. Савиных, А.В. Алешкин, С.Ю.
Булатов, Р.А. Смирнов // Тракторы и сельхозмашины. № 9 (13). 2016. С.7‒10.
11. Булатов, С.Ю. Определение усилия со стороны ножа при резании с качением корнеклубнеплодов в измельчителе с горизонтальным вращающимся диском / П.А. Савиных, А.В. Алешкин, С. Ю. Булатов, Р.А. Смирнов // Молочнохозяйственный вестник. № 3 (23), III кв. Вологда: Вологодская ГМХА,2016. С.62–74.
12. Булатов, С.Ю. Изучение условий защемления клубней в измельчителе
корнеклубнеплодов/ П.А. Савиных, А.В. Алешкин, С.Ю. Булатов, Р.А. Смирнов
// Вестник НГИЭИ. № 10 (65). Княгинино: НГИЭУ, 2016. С. 54 – 61.
13. Булатов, С.Ю. Экспериментальная дробилка ударно-отражательного
действия / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев, К.Е. Миронов //Сельский
механизатор. Москва: ОАО «Кострома», 2017.Вып. 3.С.24-25.
14. Булатов, С.Ю. Повышение эффективности приготовления кормов путем совершенствования конструкции и технологического процесса кормоприготовительных машин /С.Ю. Булатов // Пермский Аграрный вестник. Пермь:
«ПрокростЪ». 2017. № 1 (17). С. 55-64.
15. Булатов, С.Ю. Исследование взаимодействия зерна с лопастями ротора дробилки закрытого типа / С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев, К.Е. Миронов //
Вестник НГИЭИ. № 8 (75). Княгинино: НГИЭУ, 2017. С. 26–34.
16. Булатов, С.Ю. Методика определения теоретической траектории движения зерновки в камере измельчения дробилки зерна ударно-отражательного
действия / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев, К.Е. Миронов // Вестник
НГИЭИ. № 11 (78). Княгинино: НГИЭУ, 2017. С. 58–68.
17. Булатов, С.Ю. Оптимизация рабочего процесса дробилки зерна ударно-отражательного действия / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев, К.Е.
Миронов // Техника и оборудование для села. № 12 (246). г.п. Правдинский:
ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. С. 20–22.
18. Булатов, С.Ю. Разработка и использование методики определения оптимального положения загрузочного окна дробилки зерна ударно-отражательного
действия / С.Ю. Булатов, К.Е. Миронов, В.Н. Нечаев, П.А. Савиных // Пермский
Аграрный вестник. Пермь: «ПрокростЪ». 2018. № 3 (17). С. 55-64.
19. Булатов С. Ю. Результаты экспериментальных исследований по изучению условий защемления клубня в дисковом измельчителе корнеклубнеплодов / С.Ю. Булатов, Р.А. Смирнов // Вестник НГИЭИ. № 8 (87).
Княгинино: НГИЭУ, 2018. С. 47 – 57.
Патенты
20. Патент на полезную модель 129843 РФ, МПК В 02 С 9/00. Молотковая дробилка с ротором-вентилятором / П.А. Савиных, В.Н. Нечаев, С.Ю. Булатов, Н. В. Турубанов; заявитель и патентообладатель ГНУ Зональный НИИСХ
36
Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого РАСХН. № 2013100678/13. Заявл.
09.01.2013; Опубл. 10.07.2013. Бюл. № 19.
21. Пат. на полезную модель 140131 РФ, МПК В 02 С 9/00. Дробилка с
пневматической загрузкой материала / П. А. Савиных, С. Ю. Булатов, В. Н.
Нечаев; заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 2013140549/13.
Заявл. 02.09.2013; Опубл. 27.04.2014. Бюл. № 12.
22. Пат. 2511309 РФ, МПК В 02 С 9/00, В 02 С 13/04. Молотковая дробилка /
П. А. Савиных, В. Н. Нечаев, С. Ю. Булатов, Н. В. Турубанов; заявитель и патентообладатель ГНУ Зональный НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого
РАСХН. № 012130231/13. Заявл. 16.07.2012; Опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10.
23. Пат. на полезную модель 140129 РФ, МПК А 01 F 9/00. Измельчитель
кормов / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, Р.А. Смирнов, В.Н. Нечаев; заявитель и
патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 2013140751/13. Заявл. 03.09.2013;
Опубл. 27.04.2014. Бюл. № 12.
24. Пат. 2545819 РФ, МПК А 01 F 29/00, B 02 C 18/06. Измельчитель корнеклубнеплодов / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, Р.А. Смирнов, В.Н. Нечаев; заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 2013120420/13. заявл.
30.04.2013. Опубл. 10.11.2014. Бюл. № 10.
25. Пат. 2646045 РФ, МПК А 01 F 29/00, B 02 C 18/06, B 02 C 18/22. Измельчитель корнеклубнеплодов / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Е. Саитов, А.В.
Алешкин, Р. А. Смирнов, В. Н. Нечаев; Заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО
НГИЭИ. № 2016104272/13. Заявл. 04.12.2014; Опубл. 1.03.2018. Бюл. № 7.
26. Пат. на полезную модель 139816 РФ, МПК В 07 В 4/00. Пневматический сепаратор зерна / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев; заявитель и
патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 201314146284/03. Заявл. 16.10.2013;
Опубл. 27.04.2014. Бюл. № 12.
27. Пат. на изобретение 2558248 РФ, МПК В 02 С 9/02. Зерновая дробилка/ П.А. Савиных, В.Е. Саитов, С. Ю. Булатов, Н.В. Турубанов, В. Романюк, К.Е. Миронов, В. Н. Нечаев; заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО
НГИЭИ. № 2014109792. заявл. 13.03.2014. Опубл. 27.07.2015. Бюл. № 21.
28. Пат. на изобретение 2567315 РФ, МПК B 01 F7/08. Смеситель-ферментатор / П.А. Савиных, В.Е. Саитов, Н.В. Оболенский, С.Ю. Булатов, А.И.
Свистунов; заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 2013159353.
заявл. 26.12.2013. Опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31.
29. Пат. на полезную модель 167597 РФ, МПК А 23 N 17/00. Устройство
для смешивания и ферментирования кормов / П.А. Савиных, Н.В. Оболенский,
С.Ю. Булатов, А.И. Свистунов, В.Н. Нечаев, В.Г. Крестинков; заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭИ. № 2015123002. заявл. 15.06.2015. Опубл.
10.01.2017. Бюл. № 1.
30. Пат. на изобретение 2655351 РФ, МПК B01F/708. Смеситель сухих
сыпучих и влажных рассыпных кормов / П. А. Савиных, В.Е. Саитов, С. Ю. Булатов, В. Н. Нечаев, Романюк Вацлав. Заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО
НГИЭУ. № 2016126565/05. Заявл. 01.07.2016. Опубл. 25.05.2018. Бюл. № 15.
37
31. Пат. на изобретение 2657818 РФ, МПК B65G 53/14. Всасывающее
сопло пневмотранспортной установки / С.Ю. Булатов, П.А. Савиных, В.Е. Саитов. Заявитель и патентообладатель ГБОУ ВО НГИЭУ. № 2017 123423. Заявл.
03.07.2017. Опубл. 15.06.2018. Бюл. № 17.
Монографии
32. С. Ю. Булатов, В. Н. Нечаев. Результаты исследований рабочего процесса системы загрузки и очистки фуражного зерна малогабаритного комбикормового агрегата. Княгинино: НГИЭИ. 2012. 140 с.
33. Булатов С. Ю., Нечаев В. Н., Савиных П. А. Разработка дробилки зерна для крестьянских хозяйств и результаты исследований по оптимизации её
конструктивно-технологических параметров. Теория, разработка, методика,
эксперимент, анализ: монография. Княгинино: НГИЭИ, 2014. 156
34. Н. В. Оболенский, С. Ю. Булатов, Свистунов А.И. Смеситель для получение сыпучих, влажных и ферментированных кормов. Разработка, исследование, внедрение. Saarbrücken: Lap lambert, 2017. 108c.
В трудах и материалах конференций, журналах
35. Булатов С.Ю. Результаты исследований движения воздушного потока в эжекторе малогабаритного комбикормового агрегата // Вестник. Серия технические науки. НГИЭИ. Княгинино, 2011. Вып. 5(6). С 37-46.
36. Булатов С. Ю. Результаты исследований рабочего процесса пневмосепаратора фуражного зерна / С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Система технологий
и машин для животноводства на период до 2020 г. – технологические, организационно-экономические требования и методология разработки: Сборник трудов
ГНУ ВНИИМЖ № 3. Подольск, 2012. С. 78-88.
37. Булатов, С. Ю. Исследование влияния коэффициента перекрытия камеры измельчения молотковой дробилки зерна на ее аэродинамические характеристики / С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Вестник НГИЭИ. Серия технические
науки. Выпуск 7(14). Княгинино: НГИЭИ, 2012.
38. Булатов, С.Ю. Анализ технологий получения кормов с высоким содержанием белков из малоценных сырьевых ресурсов и отходов производства /
С.Ю. Булатов, А.И. Свистунов // Вестник НГИЭИ. Серия технические науки.
Выпуск 10 (29). Княгинино: НГИЭИ, 2013. С. 3–14.
39. Булатов, С.Ю. Результаты исследований по определению траектории
движения зерновки в камере измельчения дробилки / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Проблемы интенсификации животноводства с учетом
пространственной инфраструктуры и охраны окружающей среды. Материалы
Международной научно-практической конференции. Варшава–Фаленты: Институт технологических и естественных наук. 2013 С. 234–242.
40. Булатов, С. Ю. Анализ факторов, влияющих на рабочий процесс измельчителя корнеплодов / С.Ю. Булатов, Р.А. Смирнов // Вестник НГИЭИ. Серия
технические науки. Выпуск 10 (29). Княгинино: НГИЭИ, 2013. С. 15–23.
41. Булатов, С.Ю. Экспериментально-теоретические исследования процесса движения частицы по лопатке ротора-вентилятора / П. А. Савиных, С. Ю.
Булатов, В. Н. Нечаев // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном
38
производстве материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Минск, 16–17 окт. 2013
г.). В 3 т. Т. 3. Минск: НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2014. С. 59-65.
42. Булатов, С.Ю. Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки зерна с ротором-вентилятором / П. А. Савиных, С. Ю. Булатов, В. Н. Нечаев // Вестник ВНИИМЖ. № 1 (13). Подольск, 2014. С. 20-25.
43. Булатов, С.Ю. Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки зерна с ротором-вентилятором / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов,
В.Н. Нечаев // Вестник ВНИИМЖ. № 1 (13). Подольск, 2014. С. 20-25.
44. Булатов, С.Ю. Разработка и результаты предварительных исследований малогабаритного измельчителя корнеклубнеплодов / П.А. Савиных, С.Ю.
Булатов, Р.А. Смирнов // Вестник ВНИИМЖ. Механизация, автоматизация и
машинные технологии в животноводстве. 2014. № 4 (16). С. 115-118.
45. Булатов, С.Ю. Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки зерна ударно-отражательного действия / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, К.Е. Миронов // Научно-технологический прогресс в сельскохозяйственном
производстве: материалы Междунар. Науч.-техн. Конф.: в 3 т. Минск: РУП «НПЦ
НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства». 2014. Т.1. С.67-73.
46. Булатов, С.Ю. Оптимизация рабочего процесса измельчителя корнеклубнеплодов / П.А. Савиных, С. Ю. Булатов, Р.А. Смирнов // Вестник марийского государственного университета. Серия «Сельскохозяйственные науки.
Экономические науки». № 3 (3). 2015. С.36‒41.
47. Савиных П.А. Определение оптимальных режимов нагрева питательной среды в процессе ферментации в смесителе-ферментере кормов / П.А. Савиных, Н.В. Оболенский, С. Ю. Булатов, А.И. Свистунов // Вестник ВНИИМЖ.
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве. 2015.
№ 3 (19). С. 154-156.
48. Булатов, С.Ю. Проведение экспериментальных исследований по
определению влияния конструктивных факторов на характеристики дробилки
зерна ударно-отражательного действия / Савиных П.А., Нечаев В. Н., Завиваев
С.Н. Миронов К.Е. // Проблемы интенсификации животноводства с учетом
охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в том числе биогаза. Материалы Международной научно-практической
конференции. Фаленты‒Варшава: Технолого-природоведческий институт в Фалентах. 2016. Т. XXII. С. 195–202.
Подписано в печать 15.10.2018
Формат 60х90, 1/16. Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman.
Объём 2 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 50
_______________________________________________________________________________________________________
Отпечатано в ИПЦ НГИЭУ с оригинал-макета
606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а.
39
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
2 588 Кб
Теги
эффективность, условия, кормов, приготовления, процесс, малыш, формы, повышения, хозяйствования
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа