Параметры и режимы работы измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа

Во введении представлены актуальность исследований, науч-
ная новизна, теоретическая и практическая значимость исследова- ний, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе исследования производственной дея- тельности животноводческих предприятий Краснодарского края дана классификация оборудования подготовки кормов к скармливанию, анализ подготовки кормов к скармливанию путем их измельчения, представлены технические средства для измельчения кормов, осу- ществлена оценка удельной энергоемкости этих машин. В соответ- ствии с выше изложенным, сформулированы цель и задачи исследо- ваний.
Во второй главе изложены результаты теоретических иссле- дований процесса измельчения стебельных кормов рабочим органом молотково-сегментного типа, получены аналитические зависимости модуля помола и энергоемкости процесса, получено обоснование конструктивно-технологической схемы измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа, проведено исследование энергозатрат измельчителя молотково-сегментного типа, определена скорость перемещения корма в камере измельчите- ля.
Анализ существующих технических средств по приготовлению стебельных кормов, предусматривающих применение серийно вы- пускаемой техники, позволил разработать измельчитель стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа (патент РФ на изобретение No 2639326).
1- корпус, 2 – бункер, 3 – разгрузочным элементом, 4 – вращающий- ся диск, 5 – рабочие измельчающие органы, 6 – цилиндрическая втулка, 7 – шток, 8 – зубчатый режущий элемент, 9 – противорежущий орган, 10 – под- пружиненная дека с противорежущими сегментами, 11 – шарнир, 12 – под- пружиненная шпилька
Рисунок 1 – Конструктивно-технологическая схема измельчителя сте- бельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа (патент на изобретение РФ No 2639326)
Отличительной особенностью предлагаемого технического средства (рисунок 1) является рабочий орган молотково-сегментного типа, оснащенный режущим органом и противорежущими сегмента-
ми, которые измельчают корм поперечным и продольным сечением в зависимости от ориентации стеблей в бункере, а также с помощью подпружиненной шпильке осуществляется регулировка степени из- мельчения материала посредством изменения зазора между противо- режущими сегментами. Это позволяет снизить энергоемкость про- цесса за счет поперечно-продольного резания и формированию уси- ленного воздушного потока в камере измельчителя и разгрузочном
элементе; улучшить качество измельчения; повысить эксплуатаци- онную надежность и срок службы.
На основе проведенного анализа процесса измельчения полу- чены аналитические зависимости для теоретического обоснования конструктивных и технологических параметров измельчителя сте- бельных кормов. Основными факторами, от которых зависит энерго- ёмкость процесса измельчения кормов, являются: вид и влажность материала, скорость резания, угол скольжения, вид режущего сег- мента и его расположение, геометрические параметры режущего сегмента, производительность и другие.
Мгновенная сила, приложенная очень короткое время к сте- бельному корму, имеет большие показатели, но импульс ее – вели- чина конечная, а количество движения быстро меняется и выражает- ся следующими формулами:
S= ∫∆tFdt=F∆t, (1) 0
где F – средняя (за период удара) мгновенная сила, Н.
Скорость соударения стеблей определяется согласно выраже- нию:
υc = υ – μυ = υ (1-μ), (2)
где υ – скорость частицы до удара, м/с; μ – коэффициент, опре- деляемый как отношение скорости слоя материала к линейной ско- рости режущих элементов; μ = 0,450 ÷ 0,467.
E1 = m 2(1−μ)2 2
где m – масса материала, кг
(3)
Энергия E1 первой фазы процесса разрушения материала рас- пределяется на работу упругих и пластических деформаций. Упру- гие деформации действуют на стебли разрушением, а энергия упру- гих деформаций E2 определяется согласно выражению:
E2 = mk2 2(1 − μ)2 2
(4) Энергия пластических деформаций определяют изменение формы стеблей. Зависимость упругих и пластических деформаций определяется коэффициентом упругости материала k. Увеличение
коэффициента упругости материала определяет более эффективный процесс измельчения. Энергия, затрачиваемая на пластические де- формации определяется выражением:
E3 = E1 − E2 = mυ2(1−μ)2(1−k2) 2
(5)
Вторая фаза процесса характеризуется изменением скорости движения корма, абсолютную величину которого υa определяют вы- ражением 6:
(6)
Учитывая, что корм имеет массу меньшую массы рабочих эле- ментов, выражение 6 принимает вид:
Введем новые обозначения: υ1 = μ υ; υ2 = υ; υa = υ1 −(1+k) m1 (υ1 −υ2)
+ m1
где m1 – масса режущего элемента, кг.
υa = μυ−(1+k)(μυ−υ)=υ(k−kμ+1) если μ = 0, то
(7)
υa =υ(1+k) (8) Выражение для определения расчета кинетической энергии
корма после удара:
E′ = mυ2(k−kμ+1)2 42
(9) Энергия, полученная в результате удара, находится как раз-
ность энергий корма до удара и после, и определяется выражением:
(10)
mυ2
E′ = [(k−kμ+1)2 − μ2] 42
Полная энергия, которую корм получил при ударе, определяет- ся выражением:
E=E3+E4=mυ2 (1−μ)2(1+k2)+mυ2[(k−kμ+1)2−
μ2 ]
(11) Условившись, что движением корма пренебрегаем из-за малой
скорости, μ = 0, а формула 11 имеет вид:
E = m 2(1 + k) (12) Следовательно: полная энергия при ударе зависит от упругости
материала k и коэффициента μ, являющего отношением скорости материала к линейной скорости рабочих элементов.
Графически на рисунке 2 покажем изменение энергии, полу- ченной материалом в результате удара.
Е, ДЖ
Е1 Е3 Е Е2
120
100
118 99
350
160 300 250
90
70
50
30
10
3083130 67 115
99
537886 130
0
17211825 9 10
10 20 30 40
533 59
150 110 100
40 50
50 10 11 12 13 0
0 0 0 0V,М/СЕК
10 40 28 44
57 32
70 82 95
50 60 70 80 90
Е3
1
10
20
40
60
70
90
110
Е1
7
28
40
67
99
118
140
150
Е2
9
33
44
68
86
99
130
160
Е
5
18
25
40
59
70
95
130
Рисунок 2 – График распределения энергии при ударе
Исследуем движение частицы корма массой m в камере из- мельчителя. Начальная скорость частицы υ, движение происходит по внутренней поверхности камеры, радиус которой R (рис. 3). Уравне- ния движения частицы корма в измельчающей камере:
md2x = X
{ dt2 (13)
md2y = Y dt2
После ряда преобразований d2x = dυx , Y=0 и υ = υ ,
dt2 dt x m
где υm – скорость движения частицы
Рисунок 3 – Схема сил, действующих на частицу корма в камере измельчения
получим дифференциальное уравнение в виде:
mdυm =X (14)
При этом
dt
X = Fтр + Fa , (15)
где Fтр – сила трения; Fa – сила аэродинамического сопротивления; После подстановок уравнение (14) примет вид:
− =( + ) 2
где a= f , Rk
(16)
После преобразований получим выражение:
υ= υ0 (17)
m 1+( f +cFγβ)tυ0 Rk 2gm
R – радиус измельчающего ра- бочего органа, м, x и y – проек- ции на координатные оси рав- нодействующей всех приложен- ных к частице сил; Fтр – сила трения; Fa – сила аэродинамиче- ского сопротивления; Q – цен- тробежная сила; N – мощность;
b=cFγβ 2gm
где υ0– начальная скорость; Rk – радиус дробильной камеры; f – коэффициент трения; – удельный вес воздуха; с – коэффици- ент, зависящий от формы частицы и являющийся функцией числа Рейнольдса (Re) ; F – проекция частицы на плоскость, перпендику- лярную направлению её движения.
Из формулы (17) видно, что при прочих равных условиях ско- рость перемещения единичной частицы снижается с уменьшением диаметра дробильной камеры. А так как эффект удара зависит от квадрата скорости соударения, то, следовательно, чем меньше d, тем эффективнее разрушение материала в дробильной камере. Помимо этого, с уменьшением диаметра дробильной камеры сокращается путь перемещения частиц по её рабочей поверхности, что приводит к снижению содержания в измельченном материале мелких пыле- видных фракций.
В третьей главе представлены методика и результаты экспе- риментальных исследований процесса измельчения стебельных кор- мов, внешний вид измельчителя для проведения экспериментов (ри- сунки 4, 5), его описание и методы обработки эксперимента. Приво- дятся итоги исследований влияния конструктивно–технологических параметров измельчителя стебельных кормов по модулю помола и энергоемкости. Проведен ряд многофакторных экспериментов с це- лью экспериментального обоснования конструктивно– технологических параметров измельчителя стебельных кормов.
Привод измельчающего рабочего органа молотково- сегментного типа осуществляется от двигателя SEg80-2D (АИРЕ80С2).
Рисунок 4 – Внешний вид экспери- ментальной установки измельчителя с рабочим органом молотково- сегментного типа
Рисунок 5 – Внешний вид электропривода измельчающего рабочего органа
Рисунок 6 – Внешний вид Рисунок 7 – Внешний вид сепа- измельчающего рабочего органа рирующего решета
Для снятия энергетических характеристик использовался ком- плект измерительный К505. Проведение экспериментальных работ по измельчению сена проводили меняя частоту вращения электриче- ского двигателя (500-3000 об./мин).
Для изменения гранулометрического состава использовали се- парирующие решета (рисунок 6) с диаметром отверстий 0,5; 1,0; 1,5 см. Измельченный корм для контроля гранулометрического состава разбирался на отдельные порции до 20 мм на решетном классифика- торе, а стебли длиной более 20 мм отбирались вручную, а затем каж- дая порция взвешивалась на весах AND GX-4000
В качестве критериев оптимизации были выбраны модуль по- мола – М (отклик Y1) и энергоемкость-N (отклик Y2). Факторами, влияющими на технологический процесс являются: Х1 – линейная скорость молотков (υ), м/с; Х2 – влажность материала (W), %; Х3 – диаметр отверстий сепарирующего решета (d), мм; Х4 – число рядов молотков (n).
Для осуществления подтверждения оценки влияния факторов на процесс по данным эксперимента были получены уравнения ре- грессии:
М = – 10,07806667 – 0,02 υ + 3,4365 W + 0,073 d – 0,2 n + 0,0015 υ W – 0,0001 υ d + 0,0001 υ n + 0,009 W d + 0,0045 W n – 0,001 d n – 0,12W2 – 0,0024 d2 + 0,0137 n2
N = 5,466 – 0,0035 υ – 1,29 W – 0,123 d – 0,038 n – 0,0026 υ W –0,0001υn–0,0034Wd+0,0025Wn–0,0003dn+0,05W2 +0,011 d2 + 0,0058 n2
Для проведения эксперимента был выбран план Плакетта- Бермана. Получены координаты оптимума и построены поверхности отклика, а также решена компромиссная задача между двумя основ- ными критериями оптимизации: модулем помола и энергоемкостью.
Анализ сечений поверхностей, представленных на рисунках 8 – 17, показывает, что оптимальная удельная энергоемкость N со- ставляет 0,475 кВ·ч/кг при линейной скорости молотков υ = 100 м/с и влажности материала W = 13,8 %, диаметр отверстий сепарирую- щего решета d варьируется в пределах от 4 см до 5 см.
Анализ зависимостей показывает, что с увеличением линей- ной скорости молотков с 60 м/с до 120 м/с энергия на измельчение материала увеличивается с 67 Дж до 135 Дж. Рисунок 18Зависимости, построенные по предложенной формуле хорошо со- гласуются с экспериментальными. Расхождение результатов не пре- вышает 4,5 – 6 % в зависимости от влияющего фактора. Сходимость результатов по критерию Фишера составила 95,5%.
Использование измельчителя стебельных кормов в сравнении с КР-02, позволяет снизить удельные энергозатраты на 29,5 %, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,6 года.
6
Y1
14,8
2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1
Y2
14,1
60 90
120 13,4
0,65 0,625 0,6 0,575 0,55 0,525 0,5 0,475 0,45 0,425 0,4 0,375
Х
0,960 90
ие поверхности Рисунок 9 – Сечение поверхности
Х1
н
модуля помола на плоскость Х2 и Х4 энергоемкости на плоскость Х3 и Х4
Рисунок 8 – Сече
15
Х3
Х2

6
2
90 120 Х1
2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1
Y1
Y2
6
Рисунок 10 – Сечение поверхности модуля помола на плоскость Х2 и Х3
Рисунок 11 – Сечение поверхности
0,65 0,625 0,6 0,575 0,55 0,525 0,5 0,475 0,45 0,425 0,4 0,375
60 90 120
Х1
энергоемкости на плоскость Х2 и Х4
6
Y1
3 13,8
,4
14,1
Y2
Рисунок 12 – Сечение поверхности модуля помола на плоскость Х1 и Х4
4
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4 2 1,3 60
90 Х1
0,65 0,625 0,6 0,575 0,55 0,525 0,5 0,475 0,45 0,425
Х2
Рисунок 13 – Сечение поверхности энергоемкости на плоскость Х2 и Х3
4
Y1
6
1,7
Y2
Рисунок 14 – Сечение поверхности
Рисунок 15 – Сечение поверхности
0,575 0,55 0,525 0,5 0,475 0,45 0,425
1,6 1,5 3
13,4 14,1 14,8 Х2
1,4 13,4 14,1 Х2
14,8
модуля помола на плоскость Х1 и Х3
энергоемкости на плоскость Х1 и Х4
4
Y1
4
1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3
Y2
369 Х3
1,2
0,575 0,55 0,525 0,5 0,475 0,45
Рисунок 16 – Сечение поверхности модуля помола на плоскость Х1 и Х2
Рисунок 17 – Сечение поверхности
2
13,4 14,1
14,8
энергоемкости на плос
Х2
кость Х1 и Х3
Х4 Х4 Х3 Х4
Х4 Х3 Х4 Х3

160
120
80 60 40 20
м/с
V,
60
80
100
120
теоретическая
64,2
75
98
128,4
экспериментальная
71
88
115
Рисунок 18 – Влияние линейной скорости молотков на затраты полной энер- гии для измельчения материала
1. На основании проведенного анализа тенденций развития технических средств измельчения стебельных кормов, применимых в хозяйствах малых форм собственности, усовершенствована клас- сификация измельчителей кормов, которая позволила наметить пер- спективные направления в разработке конструктивно- технологической схемы измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа. Новизна технических реше- ний подтверждена патентом РФ на изобретение No 2639326.
2. В результате проведенного теоретического анализа техно- логического процесса измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа определены аналитические выражения, которые позволили определить конструктивно- технологические параметры измельчителя стебельных кормов, вли- яющие на энергоемкость: линейную скорость молотков (υ), диаметр барабана (b), с учетом массы подаваемого материала (m) и коэффи- циентом упругости корма (k), число рядов молотков (n).
3. Теоретическими исследованиями установлены рациональ- ные конструктивно-технологические параметры измельчителя сте-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
E, Дж

бельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа: линейную скорость молотков υ = от 100 м/с, влажность материала W = 14 %; диаметр отверстий сепарирующего решета d = 1,5 см; число рядов молотков n = 4., диаметр барабана b = 0,3м, коэффици- ентом упругости корма k = 0,07, постоянный коэффициент работы, затрачиваемой на образование новых поверхностей при измельчении 1 кг материала С = 0,23 Удельная энергоемкость технологического процесса составляет от 0,425 до 0,475 кВт‧ч/кг.
4. В результате экспериментальных исследований процесса измельчения стебельных кормов измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа определено, что ос- новными факторами, влияющим на удельную энергоемкость и мо- дуль помола, являются линейная скорость молотков υ; влажность материала W; диаметр отверстий сепарирующего решета d; число рядов молотков n.
Рациональными конструктивно-технологическими парамет- рами при которых удельная энергоемкость составляет от 0,425 до 0,475 кВт‧ч/кг, а модуль помола 1,3 мм являются: линейная скорость молотков υ = 95 – 115 м/с; влажность материала W = 14%; диаметр отверстий сепарирующего решета d = 1,5 мм; число рядов молотков n = 4.
Сходимость теоретических и экспериментальных результатов составляет 94-95,5 %.
5. Реализация предлагаемого измельчителя стебельных кор- мов в прессованном виде в сравнении с существующим КР-02 поз- воляет снизить удельные энергозатраты на 29,5 % и получить годо- вой экономический эффект в сумме 34000 рублей. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составляет 0,6 год.
Рекомендации производству
Предложенная в работе конструктивно-технологическая схе- ма измельчителя стебельных кормов с рабочим органом молотково- сегментного типа, а также параметры его рабочих органов могут быть использованы конструкторскими организациями при разработ- ке технических средств для механизации животноводства в условиях МФХ.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Перспективным направлением совершенствования измельчи- теля стебельных кормов с рабочим органом молотково-сегментного типа является перевод его на мобильную основу, с разработкой в нем устройств для самозагрузки материала в бункер измельчителя и ре- гулировки длины фракций измельченного материала.