close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Смирнов
Роман Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ
05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского
хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2018
1
Работа выполнена в ГБОУ ВО «Нижегородский государственный
инженерно – экономический университет»
Научный руководитель:
Савиных Петр Алексеевич, доктор технических наук, профессор
Официальные
оппоненты:
Горбунов Борис Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» Федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»;
Солонщиков Павел Николаевич, кандидат
технических наук, доцент кафедры технологического и энергетического оборудования
Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ижевская государственная сельскохозяйственная академия
Защита состоится « »__________201__ г. в ____часов на заседании диссертационного совета Д220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары,
ул. К. Маркса, 29, ауд.222. Факс: 8(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 29.01.2018 г.
Автореферат разослан «___» ___________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Алатырев С.С.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Для производства животноводческой продукции используются различные виды кормов: грубые, сочные, концентрированные. В
силу некоторых преимуществ (высокая урожайность, легкая усвояемость, хорошая поедаемость, благотворное влияние на физиологическое состояние животных) ценным видом сочных кормов являются корнеклубнеплоды. При переработке корнеплодов, в том числе подготовке к скармливанию, обязательным является их измельчение.
Согласно зоотехническим требованиям корнеклубнеплоды измельчают до
частиц 10…15 мм для крупного рогатого скота, 5…10 мм для свиней и 4…5 мм
- для птицы. Однако анализ существующих на сегодняшний день измельчителей показал, что они отличаются большой энергоемкостью, сложностью конструкции, невысокой производительностью. Измельченный в большей части
таких машин корм, не соответствует зоотехническим требованиям из-за фракции, близкой к кашеобразной, что ведет к потере сока и питательных веществ.
Поэтому предлагаемая работа, направленная на разработку и исследование измельчителя корнеклубнеплодов, позволяющего получать корм, соответствующий зоотехническим требованиям, для всех групп животных с минимальными энергозатратами, является актуальной.
Степень разработанности темы. Изучение процессов измельчения и
конструкций измельчителей неоднократно проводилось многими авторами:
Горячкиным В. П., Алешкиным В.Р., Босым Е. С., Бремергом Г. И., Василенко
И. Ф., Вольваком С. Ф., Ермичевым В. А., Желиговским В. А., Зябловым В. А.,
Ивашковым А. А., Кононовым Б. В., Кузьмовым Н. Т., Куктой Б. М., Кузьминым А.В., Курдюмовым В. И., Лемаевой М.Н., Липинским В. И., Матвеевым
А.И., Мейлахс И. И., МещеряковымБ. В., Мишинским В. И., Мянде А. Э., Некрашевичем В. Ф., Новиковым Г. И., Прокопцевым П. И., Резником Н. Е., Сабликовым М. В., Титенком А. В., Тищенко И. И., Улановым И.А., Шаповаловым
В.И., Шухановым С. Н, Ядревским А. П., и др.
Из анализа научных работ ясно, что усилие резания и мощность, затрачиваемая на него, зависят от большого числа факторов, а в некоторых случаях отсутствует единое однозначное мнение о влиянии отдельных факторов на процессы резания корнеплодов, а процесс измельчения корнеклубнеплодов нуждается в проведении дополнительных исследований.
Цель работы. Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов для приготовления кормов
к скармливанию животным и птице в условиях фермерских хозяйств, обеспечивающего снижение энергетических и материальных затрат (потери кормов)
и повышение качества продукта.
В связи с поставленной целью в настоящей работе решались следующие
научно-практические задачи:
- разработать конструкционное решение измельчителя корнеклубнеплодов для фермерских хозяйств;
3
- провести теоретические исследования резания при измельчении корнеклубнеплодов;
- теоретически определить оптимальные условия защемления клубня;
- экспериментально определить оптимальные параметры и режимы работы измельчителя корнеклубнеплодов;
- разработать рекомендации по использованию измельчителя корнеклубнеплодов;
- провести апробацию измельчителя корнеклубнеплодов в хозяйстве.
Объекты исследования: процессы резания и защемления корнеклубнеплодов.
Предмет исследования: влияние угла защемления и параметров корнеклубнеплодов на энергоёмкость рабочего процесса измельчения.
Методология исследований. На основе системного подхода к комплексу
теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи классических математических, физических, статистических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных условиях, проведённых в соответствии
с действующими стандартами и разработанными частными методиками.
Информационной базой исследования явились: нормативно-законодательные документы; данные, опубликованные в работах вышеназванных исследователей; аналитические материалы научно-исследовательских организаций России и других стран; информация, размещенная на официальных сайтах Министерства сельского хозяйства РФ; научно-образовательных организаций, занимающихся проблемами развития сельского хозяйства.
Научная новизна:
- разработан измельчитель корнеклубнеплодов для использования в
фермерских хозяйствах. Новизна измельчителя подтверждена патентами РФ
№ 2545819 на изобретение «Измельчитель корнеклубнеплодов» и № 140129
на полезную модель «Измельчитель кормов»;
- получено аналитическое выражение: (2) для определения оптимальной
величины угла наклона стенки бункера (угла защемления корнеплода), обеспечивающего минимальное соковыделение;
- выведена аналитическая зависимость (10) для определения режущей
силы в зависимости от параметров измельчаемого клубня;
- экспериментально получены уравнения (12), (13) для определения режущей силы в зависимости от частоты вращения ножа:
- построен теоретический профиль кромки горизонтальных ножей в зависимости от его окружной скорости (рис. 10);
- получены математические модели (18), (19), (20), анализ которых позволил зафиксировать следующие оптимальные значения параметров измельчителя: угол резания горизонтальных ножей γ = 45º, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость резания Vр = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для птицы; угол резания горизонтальных ножей γ = 25º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для КРС; угол резания горизонтальных ножей
4
γ = 35º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр = 10
м/с при измельчении корнеклубнеплодов для свиней.
Практическая значимость работы:
- использование разработанного измельчителя в фермерских хозяйствах,
позволяет повысить на 10…15% производительность труда при подготовке
корнеклубнеплодов к скармливанию для животных и птицы, а также снизить
на 5…10% энергоемкость рабочего процесса;
- расчетный годовой экономический эффект от применения измельчителя корнеклубнеплодов в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области
в сравнении с прототипом - измельчителем ИКП-1,5 составит 23397 руб/год.
Реализация результатов исследований:
- экспериментальный образец измельчителя апробирован в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области и рекомендован к внедрению.
Степень достоверности подтверждена: использованием потенциала
Центра энергоаудита с лабораторией энергетических обследований, организованных в Нижегородском государственном инженерно-экономическом
университете; сертифицированных Госстандартом РФ поверяемых в установленном порядке средств измерения, а также результатами экспериментальных исследований и апробацией измельчителя в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области.
Положения, выносимые на защиту:
- конструкционное решение измельчителя корнеклубнеплодов;
- результаты теоретических исследований резания корнеклубнеплодов;
- результаты теоретического определения оптимальных условий защемления клубня;
- результаты экспериментального определения оптимальных параметров и режимов работы измельчителя;
Апробация. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях в Нижегородском ГИЭУ (г. Княгинино, 2011…2017 гг.), в
ВНИИМЖ (г. Подольск, 2014 г.), на 18-й Нижегородской сессии молодых
ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 2013 г.); «Современное
общество, образование и наука» в ООО «Консалтинговая компания Юком»
(г. Тамбов, 2014 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе авторских; четыре работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, патенте на
изобретение и патенте на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Объем диссертации составляет 159
страниц машинописного текста. Работа содержит 8 таблиц, 51 рисунок и 11
приложений. Список литературы включает 113 источников.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, определены объект и предмет исследования, показаны
5
научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первый раздел «Состояние проблемы и задачи научных исследований» содержит зоотехнические требования подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию, постановку и обоснование задач; анализ конструкций измельчителей корнеклубнеплодов, обзор научных исследований рабочего процесса измельчения корнеклубнеплодов и выводы, обосновывающие цель и задачи исследований.
Второй раздел «Теоретическое обоснование конструкционного решения
измельчителя корнеклубнеплодов» содержит обоснование необходимости защемления клубней в рабочей камере измельчителя корнеклубнеплодов и исследование резания клубня горизонтальными ножами.
В разработанном измельчителе резание корнеплода осуществляется в
рабочей камере, образованной крышкой 3 и отбойником 9, наклонной стенкой обратного конуса загрузочного бункера 6, вертикальными и горизонтальным ножами (рис. 1). С целью исключения перекатывания клубня через
горизонтальный нож без разрезания стенка нижней части загрузочного бункера выполнена с наклоном под углом α, предотвращающим перекатывание и
обеспечивающим защемление клубня. Чрезмерное защемление влечет смятие
корнеплода, которое более энергоемко, чем резание и приводит к потере сока. Поэтому угол α должен быть таким, при котором не будет перекатывания
клубня через горизонтальный нож, а защемление останется минимальным.
Рисунок 1 ‒ Схема измельчителя корнеклубнеплодов: 1 – корпус; 2 – электродвигатель; 3 –
крышка; 4 – загрузочный бункер; 5 – наклонная
перегородка; 6 – наклонная стенка обратного
конуса загрузочного бункера; 7 – загрузочное
окно; 8 – режущий диск; 9 – отбойник; 10– выгрузное окно; 11–выгрузная горловина
Для выполнения условия минимального
защемления рассмотрим момент сил между горизонтальным ножом и наклонной стенкой обратного конуса загрузочного бункера (рис. 2).
Рисунок 2 ‒ Защемление клубня наклонной стенкой и ножом
6
После того как корнеплод из загрузочного бункера попадает на режущий диск, под действием горизонтального ножа он перемещается до наклонной стенки обратного конуса. В момент касания клубня со стенкой возникает
нормальная сила давления стенки Р , от действия которой появляется сила
трения FТР . Кроме того, корнеплод находится под действием силы тяжести G
, нормальной реакции со стороны режущего диска N и режущей силы R0 .
Вылет ножа h совместно с диаметром клубня определяет величину угла φ.
При некотором значении угла φ перекатывание клубня через нож прекратится, и будет происходить его резание. Кроме того, в значительной степени на
процесс защемления и резания клубня влияет угол наклонной стенки бункера
α. Для определения необходимой величины угла α, при котором клубень уже
не будет перекатываться через нож, и начнет защемляться, использовано
уравнение статического равновесия. При этом условии будет наблюдаться
минимальное выделение сока из клубня, и, следовательно, потери питательных веществ будут минимальны. Для упрощения расчетов примем, что клубень картофеля имеет форму шара.
1. Представим сумму моментов всех действующих на клубень сил относительно точки О:
∑ М0 : −  cos∙ ( sin  +  sin ) +  sin∙ ( cos  +  cos ) −
−тр cos  ∙ ( cos  +  cos ) − тр −  sin  +  sin  = 0.
(1)
В момент начала перекатывания клубня через лезвие ножа (точка О),
сила трения достигает предельного значения тр = , а сила N стремится к
нулю N→0.
Определим наибольший угол α в интервале от 0…900, при котором не
происходит перекатывания через нож. Чем ближе угол α к 900, тем в меньшей
степени проявляется разрушение клубня смятием, которое более энергоемко,
чем резание и сопровождается существенным выделением сока из клубней.
Кроме соотношений для тр и N полагаем, что сила действия стенки во много
раз больше силы тяжести клубняP >> G. Тогда уравнение (1) в предельном
равновесии примет вид:
− cos (sin  + sin  +  cos  +  cos ) + sin (cos  + cos  −
− sin  −  sin ) = 0.
(2)
Решение этого уравнения для заданного коэффициента трения f и угла
наклона стенки α, позволяет получить предельное минимальное значение угла φ, при котором не будет происходить перекатывание клубня через нож.
Этим углом φ определяется и минимальная толщина частиц корма.
Из графика (рис. 3) видно, что угол φ тем меньше, чем выше коэффициент трения и при возрастании f от 0 до 1 изменяется от 90 до 0°. Так,
например, при коэффициенте трения корнеплода о сталь, равном f = 0,25,
угол φ составляет 62,5°.
Используя уравнение (2), задаваясь коэффициентом трения корнеплода
о сталь (в нашем случае f = 0,25), построено семейство кривых, характеризу7
ющих изменение угла установки наклонной стенки бункера в зависимости от
размеров клубней (размер клубня влияет на угол φ и толщину отрезаемых
ломтиков). Радиус клубней задавали в диапазоне от 10 до 50 мм.
100
φ (f)
75
62,5
50
37,5
25
12,5
0
0,25
0,5
0,75
f
1
Рисунок 3 ‒ График зависимости предельного угла φ от коэффициента трения f
Анализируя полученные зависимости (рис. 4), можно сделать вывод о
том, что увеличение угла между наклонной стенкой обратного конуса бункера и горизонтальным ножом приводит к увеличению толщины ломтиков.
Снижение размеров измельчаемых клубней также способствует возрастанию
угла α. Поскольку для сохранения сока в нарезанных частицах корнеплодов
необходимо стремиться к увеличению угла α, то, исходя из анализа графиков,
логично предположить, что толщина ломтиков должна быть максимальной
(то есть около 12 мм).
Рисунок 4 ‒ Влияние радиуса клубня и толщины ломтиков на предельную
величину угла α
Используя полученные графики, задаваясь необходимой толщиной
нарезаемых ломтиков и зная средний диаметр измельчаемых клубней, можно
определить угол α между горизонтальным ножом и наклонной стенкой обратного конуса загрузочного бункера.
Для проверки теоретических расчетов проведены опыты по определению угла наклона стенки загрузочного бункера. Радиус клубня картофеля
изменяли от 30 до 40 мм. Толщина ломтиков устанавливалась на величине
8
h = 10 мм. Результаты сравнительных экспериментов представлены в виде
графиков на рис. 5.
100
90
80
α,
70
град
60
50
40
32,5
35
37,5 RКЛ, мм 40
опытная;
теоретическая
Рисунок 5 ‒ Сравнительные графики опытных
и теоретических исследований предельной величины угла α.
В целом полученная теоретическая зависимость описывает процесс защемления клубня и может быть использована при проведении технических
расчетов, а полученная величина угла α гарантированно обеспечит защемление клубня и предотвратит его перекатывание через горизонтальный нож.
На усилие резания в измельчителе влияют такие параметры как окружная
скорость режущего диска, угол резания ножей, положение клубня относительно оси вращения режущего
диска, размеры и масса клубня.
Определим силу резания клубня горизонтальным ножом. Для этого рассмотрим схему действия сил
на клубень (рис. 6).
Рисунок 6 ‒ Схема сил, действующих на клубень в подвижной системе отсчета.
На рис.6 X, Y, Z – подвижные
оси координат; ось X начинается от
кратчайшего расстояния до оси вращения Z1 в плоскости диска; Z1 – ось
вращения диска, направленная вверх; - ускорение свободного падения; m –
масса клубня; Jzc – момент инерции клубня относительно вертикальной оси;
Δ – коэффициент сопротивления качению по лезвию.
Запишем теорему об изменении кинетической энергии механической
системы в относительном движении по лезвию ножа до начала процесса отделения части клубня.
9
В дифференциальной форме теорема примет вид:
̈ ( +
∆вер

∆
∆
2
2
+
2
̇
−


=
−
−

+

.
)
2



(3)
Уравнение (3) является линейным дифференциальным уравнением с
постоянными коэффициентами. Обозначим:
=
с=
=
(−
2
∆


( + 2 )

2
 
( +
∆вер


2
)
;
(4)
;
(5)
−  + 2
∆

)
.

( + 2 )

Подставим выражения (4), (5) и (6) в (3). Получим:
(6)
̈ + ̇ −  = .
(7)
Общее решение неоднородного дифференциального уравнения (7) после математических преобразований примет вид:

 = 1  1 + 2  2 − ,
(8)

где с1, с2 – определяются с помощью начальных условий ̇ 0 , 0 :
̇
2 = +


(0 − 1 (0 +  ))
2
2
1
(−  + 1)
; 1 = 0 +

− 2 .

(9)
2
Найденные значения констант с1и с2 подставляем в уравнение (8). Тогда получим:
̇
=
0 +

−



(0 − 1 (0 +  ))
2
2

(− 1 + 1)
2
̇
 1  +


(0 − 1 (0 +  ))
2
2

(− 1 + 1)
2

 2 − . (10)

(
)
Используя выведенные аналитические зависимости, рассмотрим процесс измельчения клубней картофеля в измельчителе. Исходными условиями
являются: масса клубня (m) 0,06 кг, радиус клубня (r) 0,025 м, расстояние от
оси вращения режущего диска до оси клубня (R) 0,130 м. Окружную скорость
(ω) режущего диска будем изменять в интервале от 60 до 120 с -1. Диаметр
режущего диска составляет 350 мм. В этом случае решение уравнения (9)
10
позволило получить зависимости, приведенные на рисунке 7. Изменение координаты х клубня вдоль горизонтального ножа происходит по экспоненте,
причем, чем выше окружная скорость горизонтального ножа, тем быстрее
изменяется координата.
Рисунок 7 ‒ Решение уравнения (14) при массе клубня m = 0,06 кг, радиусе
клубня r = 0,05 м и расстоянии R = 0,130 м.
Следовательно, с увеличением окружной скорости ножа линейная скорость скольжения клубня по ножу возрастает, и корнеплод быстрее достигает
стенки камеры измельчения. Возрастание скорости скольжения клубня ведет
к росту силы резания, что подтверждается результатами расчетов, представленными в виде графиков (рис. 8 и 9).
Рисунок 8 ‒ Изменение режущей силы в зависимости от времени при массе
клубня m = 0,06 кг, радиусе клубня r = 0,05 м и расстоянии R = 0,130 м
11
Рисунок 9 ‒ Влияние координаты х и окружной скорости ножа на силу резания при массе клубня m = 0,06 кг, радиусе клубня r = 0,05 м и расстоянии
R = 0,130 м
Анализ зависимостей (рис.9) показывает, что режущая сила Ny некоторое время имеет отрицательное значение. Этот временной промежуток соответствует отрыву клубня от ножа под действием центробежной силы, и резание в эти моменты невозможно, пока клубень вновь не попадет под воздействие ножа. Из рисунка видно, что увеличение частоты вращения ножа способствует возрастанию режущей силы. Поэтому при выборе окружной скорости режущего диска необходимо отталкиваться от вида измельчаемых корнеклубнеплодов, а именно, их физико-механических свойств.
Из графиков (рис. 9) видно, что сила резания на всех частотах вращения равна нулю в одной и той же координате, и при принятых исходных данных составляет x = 0,124 м. Это связано с углом установки ножа α (рис. 1) к
радиусу диска. В зоне, где сила Nу равна нулю, целесообразно нож установить по радиусу или даже с уклоном в противоположную сторону.
По результатам проведенных расчетов, построен теоретический профиль кромки горизонтального ножа (рис. 10) в зависимости от его окружной
скорости.
Рисунок 10 ‒ Теоретически рассчитанный профиль кромки ножа:
1 ‒ ω = 120 с-1; 2 ‒ ω = 100 с-1; 3 ‒ ω = 80 с-1; 4 ‒ ω = 60 с-1.
12
О реальном изменении силы резания косвенно можно судить по потребляемой электродвигателем энергии. Для определения режущей силы были проведены испытания разработанного измельчителя корнеклубнеплодов при измельчении клубней картофеля диаметром 43…45 мм. Частоту вращения режущего диска задавали равной 1150 мин -1, 1128 мин -1, 880 мин -1 и 711 мин -1
(на рис.10 окружная скорость).
На основании исходных данных рассчитали режущую силу по известной формуле:
пол ∙ 
реж =
,
(11)
9550 ∙  ∙ sin 
где Wпол- полезная мощность электродвигателя, кВт; n- частота вращения режущего диска, мин-1; 9550 - переводной коэффициент; R- расстояние от оси вращения режущего диска до загрузочного отверстия, м; α - угол резания, град.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований построены сравнительные графики (рис. 11), характеризующие изменение силы резания в зависимости от окружной скорости режущего диска.
Анализ полученных данных показал, что изменение силы резания в зависимости от окружной скорости горизонтального ножа описывается квадратическими уравнениями:
- опытная: Fрез = 0,0158 ∙ ω2 – 1,194 ∙ ω +45,79.
- теоретическая: Fрез = 0,0195 ∙ ω2 – 1,664 ∙ ω +85,63.
(12)
(13)
Рисунок 11 ‒ Влияние частоты вращения на режущую силу Ny
В целом полученные уравнения довольно точно описывают процесс измельчения корнеклубнеплодов в измельчителе, и могут быть использованы
для практических расчетов аналогичных измельчителей.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа исследований, представлены лабораторные и
экспериментальные установки, приборы и измерительная аппаратура, применяемые в ходе исследований.
13
Исследования проводились в лаборатории «Сельскохозяйственные машины, техническое и технологическое обеспечение АПК» ГБОУ ВО Нижегородского государственного инженерно-экономического университета.
Для изучения процесса резания корнеклубнеплодов разработана лабораторная установка измельчителя, которая состоит из корпуса 1 (рис. 12),
а
б
Рисунок 12  Измельчитель корнеклубнеплодов: а – общий вид; б – конструктивно-технологическая схема; 1 – корпус; 2 – электродвигатель; 3 – ременная передача; 4 – кронштейн крепления опорных подшипников;
5 – крышка; 6 – загрузочный бункер; 7 – наклонная перегородка; 8 – загрузочное окно; 9 – горизонтальный нож; 10 – винт; 11 – вертикальный нож; 12 –
лопатки; 13 – режущий диск; 14 – отбойник; 15 – выгрузное окно; 16 – винт;
17 – прижимная шайба; 18 – посадочная шайба; 19 – выгрузная горловина;
20 – приводной вал; 21 – натяжное устройство
Для исследования процесса резания корнеплодов были изготовлены
несколько режущих дисков с 1, 2 и 3 горизонтальными ножами (рис. 13).
Рисунок 13 – Режущие диски.
Измельчитель работает следующим образом. Корнеклубнеплоды загружаются в загрузочный бункер 6. Под собственным весом они скатываются
по дополнительной наклонной перегородке 7 к загрузочному окну 8, распо14
ложенному на периферии режущего диска 13 и через него попадают в камеру
измельчения, образованную режущим диском 13 и отбойником 14. По периферии в створе загрузочной горловины 8 вращаются ножи режущего диска
13. При подходе к корнеплоду вертикальные ножи 11 делают в нем вертикальные надрезы, а идущие следом горизонтальные 9 – отрезают стружку.
Расстояние между вертикальными ножами 11 определят толщину отрезаемого ломтика, а частота вращения режущего диска – его высоту. Отрезанные
ломтики через радиально расположенные на режущем диске окна лопатками
12 перемещаются к выгрузному окну 15 и через выгрузную горловину 19 выводятся из камеры измельчения.
Экспериментальные исследования проведены в соответствии с действующими ГОСТами, общепринятыми и частными методиками испытаний техники, обеспечивающими получение первичной информации в виде реализаций
случайных процессов с последующей их обработкой на персональном компьютере при помощи пакета программ «Portable Statgraphics Centurion 15.2.11.0».
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований по изучению условий защемления клубнеплода; процесса резания клубней, а также результаты оптимизационного эксперимента и производственных испытаний.
С целью подтверждения теоретических расчетов согласно разработанной программе проведены исследования, направленные на обоснование условий защемления клубня между горизонтальным ножом и наклонной стенкой
загрузочного бункера. Изучалось влияние размера клубня dкл, вылета h ножа и
зазора S (рис.14) между режущим диском и кромкой наклонной стенки на ее
угол, при котором клубень не перекатывается через нож, а происходит его защемление. Значения вылета ножа h устанавливались, исходя из зоотехнических требований, предъявляемых к измельченным частицам корнеклубнеплодов. Минимальное значение зазора S ограничено максимальным вылетом ножа, максимальное ‒ размерами исследуемых клубней. Исследования проводились при угле резания горизонтального ножа γ = 45°.
Рисунок 14 ‒ Схема к изучению процесса защемления клубня между горизонтальным ножом и наклонной стенкой загрузочного бункера измельчителя:
1 ‒ режущий диск; 2 ‒ горизонтальный нож; 3 ‒ клубень; 4 ‒ стенка обратного конуса
15
В результате предварительных исследований определено, что с целью
гарантированного защемления клубня между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера в измельчителе необходимо зазор S между кромкой стенки бункера выполнять минимальным (S = 20 мм), вылет ножа h ‒
максимальным (h = 20 мм), угол наклона стенки бункера при измельчении
корнеклубнеплодов размером до 80 мм может быть равен 90°, а при измельчении клубней размером, свыше 80 мм - минимум 60°, угол резания не должен превышать 90°.
На втором этапе исследовались различные варианты режущего диска с
целью определение конструктивно-технологической схемы рабочих органов
установки.
Изучалось влияние частоты вращения n режущего диска и количества
горизонтальных ножей N на рабочие характеристики измельчителя. Для этого была проведена серия однофакторных экспериментов при измельчении
корнеклубнеплодов.
Испытания проводили на картофеле средним диаметром клубней
43…45 мм. Частоту вращения режущего диска задавали равной 1150 мин-1,
1128 мин-1, 880 мин-1, 711 мин-1 и 573 мин-1. Использовались два варианта
режущих дисков: с одним и двумя режущими горизонтальными ножами. Работу измельчителя корнеклубнеплодов оценивали тремя критериями: производительностью, удельными энергозатратами на измельчение и процентным
содержанием частиц измельченной фракции от 3 до 15 мм.
На основании проведенных исследований рабочего процесса, сделаны
следующие выводы:
1) для снижения силы резания угол наклона стенки бункера должен стремиться к 90°, угол резания горизонтальных ножей не должен превышать 50°;
2) для снижения удельных энергозатрат, увеличения производительности
и содержания фракции измельченных корнеплодов размером до 15 мм необходимо увеличивать количество горизонтальных ножей и скорость резания.
После проведения однофакторных экспериментов с целью установления оптимальных конструктивных параметров измельчителя корнеклубнеплодов проведены исследования методом активного эксперимента.
С целью получения математической модели и определения степени
влияния каждого из исследуемых факторов при исследовании процесса защемления клубня реализован план Бокса-Бенкена для 3 факторов. В качестве исследуемых факторов принимали: х1 ‒ вылет горизонтального ножа h;
х2 ‒ диаметр клубня dкл; х3 ‒ зазор между кромкой наклонной стенки и режущим диском S, мм. За критерий оптимизации принят угол α стенки обратного конуса загрузочного бункера.
После реализации опытов и обработки экспериментальных данных получена математическая модель с 95 %-ой доверительной вероятностью:
у = 66,46 + 11,75 ∙ х1 - 20,5 ∙ х2 - 12,25 ∙ х3 + 8,19 ∙ х12+ 8,5 ∙ х1 ∙ х2 +
+7,5∙ х1 ∙ х3- -7,31 ∙ х22.
(14)
16
Оптимальные значения исследуемых факторов, при которых происходит защемление клубня, имеют значения: вылет ножа h = 19 мм, зазор
S = 28 мм, диаметр клубня должен стремиться к минимальному значению,
т.е. dкл = 60 мм.
При проведении поиска оптимальных значений факторов, влияющих
на процесс резания, реализован полный четырехфакторный эксперимент 2 4.
Фактор х5 (скорость резания ножей) изменяли, основываясь на результатах однофакторных экспериментов. Уровни варьирования угла резания γ
горизонтальных ножей (фактор х6) составляли 25 и 350. Угол наклона β вертикальных ножей назначали из условия незащемления клубней, а также, исходя из особенностей конструкции измельчителя.
После реализации опытов и обработки экспериментальных данных рассчитаны оценки коэффициентов регрессии и получены математические модели:
у1= 447,75 + 239,75 х4 + 33,25 х5 + 31,75 х6 + 18,25 х5х6;
(15)
у2= 144,99 - 62,65 х4-30,22 х5-17,03 х6+20,43 х4х5 +16,18 х4х6 -15,84 х5х6;
(16)
у3 = 40,99 + 2,24 х5 + 4,51 х4х 5 + 2,21 х 4х 5 – 3,21 х 5х6.
(17)
Проведенные исследования показали, что из четырех исследуемых факторов такие эффекты как количество горизонтальных ножей, скорость резания
и угол резания горизонтальных ножей, а также большинство их парных взаимодействий оказывают существенное влияние на показатели работы измельчителя корнеклубнеплодов. Поэтому с целью изучения и описания области
оптимума линейного приближения недостаточно, и необходимо использовать
планирование второго порядка. В связи с этим была реализована матрица плана Бокса-Бенкена для 3 факторов. Количество горизонтальных ножейN изменяли от 1 до 3. Скорость резания Vр ‒ от 9 до 12,5 м/с с интервалом 1,5 м/с, а
угол резания горизонтальных ножей γ  от 25 до 45º с шагом 10º.
После реализации опытов по плану и обработки экспериментальных
данных получены математические модели в раскодированном виде:
Q  2211,9  1625,6  N  165,7 Vр  196,5  N 2  61, 2  N Vр ;
(18)
Э  1358  619,1 N  74, 7 Vр  6, 7    43, 6  N 2  26,9  N Vр  3,3  N   ;
  217,8  39,8  N  25 Vр  2, 4    9,95  N 2  0,9 Vр    0,08   2 .
(19)
(20)
На основании полученных моделей построены двумерные сечения поверхностей откликов (рис. 15).
Их анализ позволил зафиксировать следующие оптимальные значения
параметров измельчителя: угол резания горизонтальных ножей γ = 45º, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость резания Vр = 12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для птицы, угол резания горизонтальных но17
жей γ = 25º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр =
=12 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для КРС. Угол резания горизонтальных ножей γ = 35º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр = 10 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для свиней.
45
110
54
α
85 50
33
140
29
а
25
1
42
600
68
α
660 740
37
45
700
34
2
54
58
44
740
37
65
680
33
780
760
б 29
50
N
y1
52
y2
780
40
800
60
80
700
100
36
25
9
3
60
10,5
Vр
12
y3
Рисунок 15  Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие
содержание частиц размером 3...15 мм, энергоемкость процесса и производительность.
Апробация измельчителя корнеклубнеплодов проводилась в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области. Измельчались корнеклубнеплоды,
предназначенные для скармливания крупному рогатому скоту.
В пятом разделе «Технико-экономическая и энергетическая эффективности применения измельчителя корнеклубнеплодов» приведена
характеристика вида перерабатываемого сырья, анализ рынка и выбор базы
сравнения, анализ эффективности функционирования, разработанного измельчителя корнеклубнеплодов.
Механизация кормоприготовления занимает особое место в системе
обслуживания животных. Уровень механизации приготовления кормов в
настоящее время несколько ниже механизации других процессов (доения,
уборки навоза, водоснабжения и поения).
Нами изготовлен макет элемента поточной линии очистки и
измельчения
корнеклубнеплодов,
рис.16, и разработана схема механизации измельчения корнеклубнеплодов, рис.17.
Рисунок 16 – Макет комплекса
очистки и измельчения корнеклубнеплодов
18
Рисунок 17 – Схема механизации процесса измельчения корнеклубнеплодов;
1, 10 – электродвигатель; 2 – привод; 3, 8 – бункер приёмник; 4 – кожух; 5 –
форсунки; 6 – водопроводы; 7 – шнек; 9 – механизм измельчения; 11 – гидрораспределитель; 12 – резервуар для воды; 13 – насос высокого давления; 14
– фильтр тонкой очистки; 15 – фильтр грубой очистки;16 – отстойник; 17 –
ёмкость для готовой продукции.
В схеме, рис.17, позиции 8, 9 и 10 – элементы измельчителя.
Принцип работы: исходный материал загружается (вручную или
транспортёром) в бункер 3, из которого под действием собственной массы
скатывается через имющееся в нём отверстие в кожух 4 и шнеком 7
перемещается в бункер 8, попутно подвергаясь через форсунки 5
интенсивной мойке. Смыв сливается в водосборник 12, снабженный
отстойником 15, через который удаляются продукты смыва. Вода, очищенная
в фильтах 15 и 14, снова используется для мойки корнеплодов.
Из бункера 8 под действием собственной массы корнеплоды
скатываются в загрузочное окно 8 (см. рис.12) и через него попадают в
механизм измельчения 9. В процессе измельчения вертикальные ножи
делают надрезы в корнеклубнеплоде, а горизонтальные - отрезают ломтик,
который под действием центробежной силы перемещается к выгрузному
окну и через выгрузную горловину выводится из рабочей секции в ёмкость
17 для готовой продукции.
19
Заключение
1. Разработано и защищено патентами РФ № 2545819 на изобретение и
№ 140129 на полезную модель конструкционное решение в виде измельчителя корнеклубнеплодов, позволяющее производить в условиях фермерских
хозяйств готовый продукт с качеством, удовлетворяющим зоотехническим
требованиям, с минимальными потерями питательных веществ и энергозатратами.
2. Теоретически выявлено, что:
- увеличение частоты вращения ножа способствует возрастанию режущей силы, поэтому при выборе окружной скорости режущего диска необходимо отталкиваться от вида измельчаемых корнеклубнеплодов, а именно, их
физико-механических свойств;
- сила резания на всех частотах вращения равна нулю в одной и той же
координате, что связано с углом установки ножа к радиусу диска. Поэтому в
зоне, где сила Nу равна нулю, целесообразно нож установить по радиусу или
даже с уклоном в противоположную сторону, а для дальнейшего скольжения
(качения) по ножу, с возрастанием координаты x, изогнуть нож в предложенном направлении. На основании данных рассуждений построен рекомендуемый профиль кромки горизонтальных ножей.
3. Получено аналитическое выражение (2) и построены графики, с помощью которых, задаваясь размерами измельчаемых корнеклубнеплодов и
толщиной нарезаемых ломтиков, можно определить предельную величину
угла наклона стенки бункера, исходя из условий минимального соковыделения.
Определено, что для гарантированного защемления клубня между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера необходимо вылет ножа устанавливать в пределах 18…20 мм, зазор между кромкой стенки бункера и режущим диском S = 28 мм при измельчении клубней диаметром dкл =
60 мм.
4. Зафиксированы оптимальные значения настроечных параметров измельчителя: угол резания горизонтальных ножей γ = 45º, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость резания Vр = 12 м/с при измельчении
корнеклубнеплодов для птицы; угол резания горизонтальных ножей γ = 25º,
количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр = 12 м/с при
измельчении корнеклубнеплодов для КРС; угол резания горизонтальных ножей γ = 35º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр =
10 м/с при измельчении корнеклубнеплодов для свиней.
Выявлено, что: при измельчении корнеклубнеплодов для КРС производительность измельчителя составляет 740…760 кг/ч, содержание частиц
размером от 3 до 15 мм - 45…60 %, удельные энергозатраты ‒ 50…65 Вт∙ч/т;
при измельчении корнеклубнеплодов для птицы: угол резания горизонтальных ножей γ = 45º, количество горизонтальных ножей N = 3 и скорость
резания Vр = 12 м/с;
20
- при измельчении корнеклубнеплодов для КРС: угол резания горизонтальных ножей γ = 25º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость
резания Vр = 12 м/с;
- при измельчении корнеклубнеплодов для свиней: угол резания горизонтальных ножей γ = 35º, количество горизонтальных ножей N = 2 и скорость резания Vр = 10 м/с.
5. Изготовлен макет комплекса очистки и разработана схема измельчения корнеклубнеплодов.
6. Производительность измельчителя при установленной мощности 0,5
кВт составляет 740…760 кг/ч, при этом содержание частиц размером от 3 до
15 мм ‒ 45…60 %, а удельные энергозатраты ‒ 50…65 Вт∙ч/т .
7. Расчетный годовой экономический эффект от применения измельчителя корнеклубнеплодов в сравнении с прототипом ‒ измельчителем ИКП1,5 составит 23397 руб.
Перспектива дальнейшей разработки темы. Предложенная схема измельчителя корнеклубнеплодов (патент РФ № 2545819) может быть использована в качестве модели для создания типового ряда измельчителей различной
производительности.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В:
изданиях, определённых ВАК Министерства образования и науки РФ:
1. Смирнов, Р. А. Измельчитель корнеклубнеплодов / П. А. Савиных, С.
Ю. Булатов, Р. А. Смирнов // Сельский механизатор№ 8.2013. С. 40-41.
2. Смирнов, Р. А. Изучение условий защемления клубней в измельчителе
корнеклубнеплодов / П. А. Савиных, А. В. Алешкин, С. Ю. Булатов, Р.А.
Смирнов // Вестник НГИЭИ. № 7 (3). 2016. С.36-41.
3. Смирнов, Р. А. 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.
4. Смирнов, Р. А. Определение перемещения корнеклубнеплода и усилия со стороны ножа при резании с качением по лезвию в измельчителе с горизонтальным вращающимся диском / П. А. Савиных, А. В. Алешкин, С. Ю.
Булатов, Р.А. Смирнов // Молочно-хозяйственный вестник. № 3 (23). 2016.
С. 62 – 74.
патентах:
5. Патент 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.
Заявл. 03.09.2013; Опубл. 27.04.2014. Бюл. № 12.
6. Патент 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. Заявл. 30.04.2013. Опубл. 10.11.2014. Бюл. № 10.
сборниках научных трудов и материалов конференций:
7. Смирнов, Р. А. Анализ факторов, влияющих на рабочий процесс измельчителя корнеплодов. / С. Ю. Булатов, Р. А. Смирнов // Вестник НГИЭИ.
21
2013. № 10 (29). С. 15–23.
8. Смирнов, Р. А. 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.
9. Смирнов, Р. А. 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.
22
СМИРНОВ РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ
Подписано в печать 03.04.2018.
Формат 60×90, 1/16. Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman.
Объём 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 10.
Отпечатано в ИПЦ НГИЭУ с оригинал-макета
606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
1 422 Кб
Теги
обоснование, конструкции, основные, измельчителя, совершенствование, корнеклубнеплодов, параметры
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа