автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологии и параметров малогабаритного измельчителя кормовдля фермерских хозяйств

РОССИЙСКИЙ ГОСУДЛРСТВЕНЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОД

На правлзс рукосшсп Кузгар Василии Мешшлопнч

Обоснование технологии и параметров малогабаритного

измельчителя кормов для фермерских хозяйств

Специальность 05.20,01 - кехяппзацяя сельскохозяйственного вроззгзодеша

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на сонскапмс ученой степени кпндвдатп технических наук

Бгшшшхп

1996

Работа выполнена в Брянской государственной сельскохозяйственной академии. Научный руководитель - академик ААО РФ,

доктор технических наук, профессор В.А.Ермичев • Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Д.Н.Мурусвдзе; кандидат технических наук, профессор й.Е.Карнаухов Ведущая организация - Брянская областная ассоциация

крестьянских кооперативных организаций России (АККОР)

Защита состоится "2в " февраля 1996 года в /0 часов на заседании диссертационного совета К.120.30.01 в Российской государственном аграрном заочном университете по адресу: 143900 г.Балааиха-8, Московской обл., РГАЗУ.

С диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "22. " января 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В сельском хозяйстве России сложилась тенденция повышения ' себестоимости продукции животноводства. Во многом это объясняется потреблением дорогостоящих энергоресурсов. Наиболее энергоемким является приготовление кормов, доля которых в себестоимости возрастает. Это происходит не только из-за роста стоимости кормового сырья, но и в следствии высокой энергоемкости кормоприготовления.

Увеличение производства продукции животноводства в фермерских хозяйствах возможно лишь с применением кормов соответствующего качества, полученных с применением энергосберегающих технологий и оборудования. Наиболее существенной является энергия, содержащаяся в кормах и энергия, затраченная на их приготовление. Оправданно увеличение доли грубых кормов и корнеплодов в рационах, например, крупного рогатого скота и уменьшение доли концентратов, поскольку последние по затратам совокупной энергии обходятся гораздо дороже. При этом, использование в фермерских (крестьянских) хозяйствах высокопроизводительной техники, предназначенной для животноводческих комплексов и крупных ферм, экономически невыгодно.

Цель и задачи исследования.

Цель работы - повышение эффективности производства продукции животноводства в фермерских хозяйствах путем применения перспективной технологии кормоприготовления с использованием универсального малогабаритного измельчителя, позволяющего повысить качество иБмельчения при одновременном снижении удель-

ной энергоемкости технологического процесса.

В соответствии с целью поставлены следущие задачи:

- провести паспортизацию фермерских хозяйств Брянской области и их технической оснащенности;

- изучить физическую сущность и закономерности процесса измельчения кормов повышенной влажности комбинированными режущими элементами;

- провёсти анализ и исследование факторов, влияющих на технологический процесс измельчения корма;

- дать аналитические зависимости для определения усилий резания и разработать математическую модель рабочего процесса измельчителя;

- провести экспериментальные исследования малогабаритного измельчителя кормов.

Объект и предмет исследования.

Объект исследования - процесс приготовления кормов с измельчением кормового сырья и технические средства для его реализации в условиях фермерских хозяйств.

Предмет исследования - закономерности взаимодействия рабочего органа с измельчаемым материалом.

Методика исследований.

При исследовании применены аналитические и стагистико-вероятностные методы, а также систематизация экспериментальных и хозяйственных испытаний.

Путем оптимизации математической модели процесса измельчения, анализа результатов теоретических исследований кинематики и динамики, определены конструктивно-технологические па-

раметры тарнирно закрепленного рабочего органа продольно-поперечного резания.

Энергетические показатели режущего аппарата определены в соответствии с ОСТ.70.19.2-83,-при этом использовали ваттметр с самопишущим устройством, тахометр цифровой ТЧ.-ЮР, регулятор напряжения РНШ с вольтметром, амперметр, следящий за перегрузкой цепи.

• Научная новизна.

Путем анкетирования проведена паспортизация фермерских хозяйств Брянской области, их экономическая характеристика и оценка технической оснащенности, дан анализ уровня механизации приготовления кормов.

В работе сделана попытка совершенствования технологии приготовления кормов в условиях фермерского хозяйства на основе применения перспективной конструкции рабочего органа (поло*. решение ВННИГПЭ от 14.03.95 то заявке N 95103615/08/006807) и конструктивно-технологической схемы малогабаритного измельчителя, позволяющего повысить качество измельчения при одновременном снижении удельной энергоемкости.

Разработана математическая модель процесса измельчения комбинированным рабочим органом, отражающая сгеяскь влияния конструктивных и кинематических параметров на энергетические показатели. Установлено оптимальное сочетание конструктивно-технологических параметров измельчителей кормов, которое подтверждено экспериментальными исследованиями.

Практическая ценность и реализация результатов исследования.

Применение разработанного малогабаритного измельчителя

кормов с рабочим органом продольно-поперечного резания в технологических линиях по подготовке кормов позволяет снизить . удельные энергозатраты на 35.. .407., подучить годовой экономический эффект 941000 рублей (в ценах 1993г) при переработке 100т соломы. При этом готовый коры на 97...982 соответствует зоотехническим требованиям.

Результаты исследований рассмотрены, одобрены и приняты к внедрению Брянским АККОР. Хозяйственные испытания проводились в фермерском хозяйстве " Хлеб " Брянской области.

Апробация работ/.

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете (1994, 1995гг), Всероссийском научно-исследовательском и про-ектно-технологическом институте механизации животноводства (ВШШШ 1995), Российском аграрном университете заочного образования (1995г), на научно-технических советах Брянского АККОР, научно-практических конференциях Брянской государственной сельскохозяйственной академии (1994, 1995гг).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе одно положительное решение ВНЙЙГПЭ по заявке N 95103616/08/006807 на изобретение.

Структура и объем работ.

Диссертация состоит из введения, семи глав,- общих выводов, списка литературы, .состоящего из 128 наименований, в том числе - 3 на иностранных языках. Ока изложена на 192 страни-

цах, включая 156 страниц основного текста. 34 схемы, графиков, фотографий, 21 таблицу. 36 страниц приложений.

Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

На основе анализа литературных источников и производственного опыта фермерских (крестьянских) хозяйств Брянской области дана оценка их экономического состояния, технической оснащенности, уровня механизации приготовления кормов.

Выполнен анализ применяемого технологического оборудования, который показал, что одной ив причин, сдерживающих внедрение комплексной механизации на малых фермах, является отсутствие машин и оборудования для них. Применение высокопроизводительной техники, предназначенной для крупных ферм, приводит к возрастания себестоимости продукции и удельной энергоемкости.

На основе рассмотренных классификаций, обзора машин и патентного поиска по теме исследования установлено, что возможности улучшения технико-экономических показателей измельчителей не исчерпаны. Необходимо создать малогабаритный, универсальный измельчитель продольно-поперечного резания и совершенствовать технологические процессы кормоприготовления.

Научные разработки технологического оборудования для приготовления кормов являются труды академика В.П.Горячкина, по-

лучившие развитие в исследованиях В.Р.Алешкина, А.А.Артши-на, Г.И.Бремера, В.А.Голикова, А.И.Завражного, В.А.Зяблова, В.В.Кононова, Г.М.Кукты, С.В.Мельникова, В.Г.Мохнаткина, Д.И.Николаева, Н.Е.Резника и др. ученых.

Научные основы процесса измельчения кормов изложены в работах профессоров С.В.Мельникова, Н.А.Барсова, В.И.'Вагина, В.А.Ермкчева, Ш.Н.Нуртаева и др.

На основании обзора к проведенного анализа процесса измельчения роторными изиеяьчитслани были поставлены следущке основные задачи:

- изучить особенности рабочий органов роторных измельчителей кормов;

- теоретически обосновать конструктивно-технологическую схеиу малогабаритного измельчителя;

- разработать методику и провести э!кшериментальиые исследования для определения конструктивных параметров и реишоз работы измельчителя.;

- разработать методику. расчета измельчителя роторного типа;

- провести производственную проверку юдогабарктного кзыеглчи-теля и оценить его зконошгческузо эффективность.

2. Теоретические предпосылки совершенствования ятехнологии заготовки и приготовления кормов

На основе анализа факторов, определшэдх питательную ценность. корнов, сделана попытка ;совершенствования технологии приготовления кормов .у условиях фермерского хозяйства с применением малогабаритного измельчителя,.позволявшего повысить качество измельчения при одновременном снижении удельной знерго-

емкости процесса.

Конструктивной особенностью измельчителя является режущий аппарат продольно-поперечного резания (рисЛ) с шарнирно закрепленными режущими элементами. Комбинированный режущий элемент (рис.2) состоит из сегмента 1, расположенного в вертикальной плоскости. При помощи винта 4 и гайки 6 он соединен с пластиной 2 и лопастью 5. Лопасть имеет радиус кривизны и буртик по всей длине и в верхней части реяущуа кромку.

Ввиду неориентированного поступления кормового материала происходит воздействие на него в различных направлениях (ино-гоплоскостно? резание). Сегмент 1 воздействует на материал в вертикальной плоскости, а режущая кромка лопасти 5 - в горизонтальной. Так как лопасть 5 имеет радиус кривизны, то возможно совмещение технологических операций измельчение и транспортировка корма.

3. Аналитическое исследование рабочего органа малогабаритного изиеяьчшиемя

Взаимодействие режущего элемента с измельчаемым кормом характеризуется сложными физическими явлениями.

Из анализа сил, составляющих сопротивления ножа (рис.3), видно, что, обдая сила сопротивления при резании зависит, в основном, от толщины слоя подаваемого корма и ширины захвата лопасти: _

Кп » Яг ♦ (1)

где: ¡?1 - сила сопротивления резанию сегментом; - сила сопротивления резанкв лопастью;

{?1=куд.р-в, (2)

с.

Рис.1. Режуций аппарат с комбинировавши реку«ущи элементами продольно - поперечного резания I - вал; 2 - барабан; 3 - комбинированный режущий элемент; 4 - втулка; 5 - ось; б - винт

Рис. 2. Комбинированный режу^й элемент

I - сегмент; 2 - пластика; 3 - зтуякз; 4 - винт; 5 - лопасть; 6,7 - гайка,винт

где: куд.г - удельное сопротивление рееанкю сегментом, н/м; в - додана слоя подаваемого ыатериала, и.

R *> f(Ьср.Бн.к'ул.р). (3)

где:- Lop - ерздгш длина дуги среааеной части кориа. ы; вв - гшркка еаквата жопастн, и-, куд.р - удельное сопротивление реванш по дуге, Н/и: ■ Учитывая силы, пргаокеикые к частице, движущейся по лопасти ротора и испояьауя способ, предложенный проф. Е.С.Босш, обоснован угол иаюона выгрузного пат-рубка малогабаритного ке-ыельч-чтели (««65°)

4. Теоретические исследования юшеиатки и дияоити шармирно закрепленного рещщеео злехашт

При работе ось рег/щего элемента 2 отклоняется ох радиального коасшния аа угол 9 (рис.4). Теоретический анализ прог цесса раЗоги аиршрко шфз&Еещого ревущего аяеиента выявил гешктричесгсую вашя&кхугь шоду era юцжвграт. Плечо h одределяется из вырашаю:

cosy

h «■• R--------- . (4)

R/a + cos?

Для гхщыеш жиоШого ди1фэренщалького уравнения, сделаны ло1т/и.оны, что

slnf*?; cost»cosr-l. Соответственно, плечо h шкио определить по упрощенной формуле:

9 • .

■h«„ R---. (5)

R/a + 1

Ry

Рлс.З. Схека к определение емтавяяйщкх сопротивлению кожа

Рис.Расчетная ежена к определению геометрических размеров шариирно закрепленных режуаяк элементов

Задаваясь углом <р ,^можно определить угол г по формуле:

Э1пф

Ш - —-- •

Я/а + соэ!р (6)

Определена погрешность от введенных допущений:•

Ь - У

(7)

И

Результаты расчетов показываю , что с увеличением угла <р, плечо Ь (рис.5) увеличивается (тайд.1).

Анализ показал, что погрешность от введенного допущения в формуле (б) возрастает с увеличением угла <?. Но даже при максимальном угле 9=60° погрешность 5 составляет ?Х. Следовательно, при расчетах геометрических зависимостей для шарнирно закрепленных рабочих органов, можно применять приближенную формулу (5).

Как показывает анализ сил, действующих на шарнирио закрепленный режущий элемент, наибольшее влияние силы тяжести будет тогда, когда плечо этой силы будет максимальным, т.е. когда режущий элемент займет положение, близкое к горизонтальному- С учетом конструктивных и кинематических параметров режущего аппарата установлено, что в процессе работы момент от силы тяжести меньше, чем момент трения в шарнире. Режущий элемент не отклоняется от определенного положения и работает как жесткое соединение, В случае возрастания нагрузки он отклоняется на определенный угол, но процесс измельчения не нарушается и энергозатраты не изменяются.

И (мм)

О 10 20 30 40 50 60 1?° Рис.5. Оценка сходимости результатов

Таблица 1. Зависимость между углами <р, ¡и плечом й, величина погрешности 5 для шарнирно закрепленных режущих элементов

1 1 ф° 1 1 ......- I о 1 ■1...... 1 ю 1 ........... 20 --------- г 30 | ! • --------1' 40 | 1 ..... , 50 ! ■ ! 60 |

1 ! Ьрг 1 1 1 0 1 1 I 0,055 1 0,11 1 0,1647| ( ! 0,2189! 1 1 0,2723! _1.. 0,3243|

1 I г° 1 I 1 1 0 1 1 1 3,15 1 6,276 I 9,35 | 1 1 12,35 | 1 .......' 1 16,23 ! 1 17,97 |

г 1 10 1 ! 37,14 1 14,2 1 21,13 | 1 27,8 ! 1 1 34,16 | 1 40,1 1

( . 1 (Ь* Смм>I 0 1 1 7.161 14,3 1 21,47 | 1 1 28,63 | . 1 1 35,8 | 1 42,94 |

I 1 5,7. 1 ... ,, 1 1 0 1 1 1 0,28 .1...... 0,7 ..... 1 1,6 | 1 3,0 | 1 1 4,8 ....... 1. 7,08 | 1

5. Программа и методтса эксперментлъных исследований

На основании анализа литературных источников я проведения отсеивзяэдх экспериментов выбраны основные факторы для оптимизации режима и геометрических характеристик рабочих органов: ' Урскорость резания; Уп - скорость подачи.

Составхэны программа и методика экспериментальных исследований процесса резания корма. Приводится описание измерительной аппаратуры и методика обработки экспериментальных данных.

По результатам двухфакторных экспериментов получены сле-дутодаэ математические выражения:

- для определения энергоемкости процесса измельчения

Эр * 2,15 - 0,0114Ур - 14,8УП, (8)

- для получения фракционного состава частиц длиной 0.. см

ф(0~5) » 14,5 + 1,70бУр + 2,£ОУп. (9)

Исследовав влияние переменных в пределах допустимых значений, получено оптимальное сочетание параметров измельчителя.

6. Анализ результатов зксперииентлъкых исследований

На основании результатов исследований установлено влияние различных факторов на энергоемкость процесса, пропускную способность и динамические характеристики измельчителя.

Определена зависимость силы резания Рр стеблей соломы при различных углах наклона лезвия сегмента и разной частоте вращения измельчающего барабана для одного режущего элемента (рис.б), а такке влияние влажности материала на расход знер-

г-чгг

л?

55

65

Рис.6. Изменение силы Рр резания:

1 - при п=1750об/мин;•

2 - при п=1850об/мии;

3 - при п=2350об/мин.

гии (рис.7). На основании результатов эксперимента построены сравнительные графики по параметрам, характеризующим режим работы малогабаритного измельчителя (рис.8). Диагональ на графике характеризует прямую "абсолютной сходимости" расчетных и экспериментальных данных. Из графика (рис.8а) следует, что . погрешность расчетных данных по мощности не превышает 5%. Рас-хседение расчетных и экспериментальных значений вызвано колебаниями напряжения в сети. Показатель качества готового корма составляет к=0,38.

7. Производственная проверка и экономическая эффективноет> технологии приготовления кормов с применением малогабаритного измельчителя в условиях фермерского (крестьянского) хозяйства

Приведены результаты испытаний малогабаритного измельчителя с шарнирно закрепленными режущими элементами и технико-экономические показатели в сравниваемых вариантах.

Испытания проводили в фермерском хозяйстве " Хлеб " Брянской области. В результате испытаний установлено, что применение предлагаемых комбинированных режущих элементов позволяет существенно повысить качество измельчения корма при сравнительно низких энергозатратах.

Производственные исследования показали, что применение малогабаритного измельчителя с оптимизированными параметрами позволило снизить энергоемкость процесса на 35. .ЛОХ и улучшить качество измельчения кормов.

Экономическая эффективность дана в сравнении с серийно выпускаемым измельчителем ИСК-3. Оценка технико-экономической

1 - при влажности соломы 20Х;

2 - при влажности соломы 252;

3 - при влажности соломы 302;

4 - при измельче:-:ии соломы и

свеклы

dpâna ?г кВт 7,s

6,0

ъ.9 IS о

/г

i i i

i i

» i i

ts i о s,¡> f,S

is ¡h.

Кб*

6,0

2.0 '-i

o dsxcn. K&m

a) 43ô модности

ÛPacv

tntH

2,0 t*

il

W

O

-i

А N

/ / i

[/I i i

/ i i 1

av o,g и и 2,o

го Qqh 1.6 а 0.8 О,*

о 5i££2*

m/v

6} по пропускной способности

Х&т. Him ^

ь

Z i о

---

Y

Á V i

А ' Г" 1 1

/ 1 1 1

5"

Ç

Х8т ч/т

4 h г i

о Э жоп. Квт-к/п

в) по удельным знергозагратам Рис.8. Сходимость результате!;

эффективности измельчителя производилась в соответствии с ГОСТ 23728-79...ГОСТ 23730-79.

Годовой экономический эффект от использования малогабаритного измельчителя кормов с комбинированными режущими элементами в технологической линии при переработки соломы повышенной влажности в объеме 100т составит 941000 рублей (в ценах 1993г).

Общие выводы и рекомендации производству

1. Анализ научно-технической литературы по исследованию технологий приготовления кормов и результаты обследования показали, что в условиях фермерских хозяйств высокопроизводительные машины и орудия не могут эффективно использоваться. Необходимы малогабаритные универсальные машины и оборудование, позволяющие сократить затраты труда, получить компоненты сбалансированных рационов, повысить поедаеыосгь и усвояемость животными кормов, снизить их заболеваемость.

2. Существующие- измельчители кормов не обеспечивают зоотехнические требования по качеству и имеют высокую энергоемкость.

3. На основании теоретических исследований предложена и экспериментально доказана эффективность использования комбинированного элемента продольно-поперечного резания.

4. На, основе математического описания рабочего процесса измельчителя оптимизированы его конструктивные и технологические характеристики.

5. Предлагаемый рабочий орган (частота вращения £350с-1, скорость подачи 0,025м/с и 27 рекуш^лх элементов) обеспечивает

минимальное значение параметра оптимизации (0,98кВт.ч/т) при содержании а общей массе 87,51 частиц длиной до БОми и расщеплением 98,16*, тогда как при одноплоскостном резании эти значения составляют соответственна 48,5£ и 85,42.

6. Применение малогабаритного измельчителя, совмещаемого * иэиедьчение и транспортировку измельченной массы' позволяет

снизить удельные энергозатраты в 1,5...2 раза.

7. Производственные испытания экспериментального измельчителя показали его универсальность, надежность, высокую эффективность и возможность использования в качестве измельчителя -смесителя.

Предложенный рабочий орган позволяет измельчать корма любой влажности.

Годовой экономический эффект составит 941000 рублей на машину при обгеме заготовок 100т, (в ценах 1993т).

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах:

1. Ермичев В.А., Куаар В.И. Разработка научно-обоснованных предложений по создания перспективных комплексов оборудования для совершенствования сущэствущнх новых технологий производства шлока и мяса, обоснование их оптимальных техни-но-экономических параметров в условиях многообразия фора хозяйствования для измельчения грубых корков //Отчет ВНИИШ за 1994 год по договору с Россельхоаакадемией N34/2.

2. Кузюр В.И. Универсальный измельчитель кормов //Инф. листок N35-95, Брянск, ДНГГИ, 1985.- 0,16п.л.

3. Ершгчев В.А., Кузвр В.Я. Уехаккзнрованное измельчение кор«св в усяовлях фермерского хозяйства //ВСХИЗО-агропрсмга-

денному комплексу: Сб.науч. тр. ВСХЕВО.-Москва, 1995. с.236.

4. Ермичев В.А., Кузюр В.М. К определению геометрически зависимостей шарнирко закрепленных режущих элементов //Техник в сельском хозяйстве.- 1995.-N6 -с.28.

5. Положительное решение ВНИЙГПЭ от 14.03.95 по а&явк. К 95103515 /08/ 006807/. Комбинированный режущий злеыен1 /В.А.Ершчев, В.М.Кузар (РФ).