автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Параметры и режимы работы универсального измельчителя стебельчатых кормов и подстилки с вертикальным бункером и ротором молоткового типа

На правах рукописи

Яковлев Антон Владимирович

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ СТЕБЕЛЬЧАТЫХ КОРМОВ И ПОДСТИЛКИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ БУНКЕРОМ И РОТОРОМ МОЛОТКОВОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства (по техническим наукам)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону -2013

005543032

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо-Кавказском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии)

Научный руководитель: Тищенко Михаил Андреевич *

доктор технических наук, старший научный сотрудник ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, ведущий научный сотрудник отдела механизации животноводства

Официальные оппоненты: Ермольев Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор Донской государственный технический университет заведующий кафедрой «Сельскохозяйственные машины и оборудование»

Фролов Владимир Юрьевич

доктор технических наук, профессор Кубанский государственный аграрный университет заведующий кафедрой «Механизации животноводства и безопасности жизнедеятельности»

Ведущая организация: ФГБУ «Северо-Кавказская государственная

зональная машиноиспытательная станция»

Защита состоится « 25 » декабря 2013 г. в « 13— » часов на заседании диссертационного совета Д 212. 058. 05 в Донском государственном техническом университете «ФГБОУ ВПО ДГТУ» по адресу: 34400, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252, ДГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ Автореферат разослан «¿Л » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Борисова Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Уровень продуктивности животных на 60-80% определяет фактор кормления. Поскольку корма являются самой большой статьей расходов в животноводстве, инвестиции в улучшение организации кормления дают наибольший эффект.

В системах приготовления и раздачи кормов, внесения подстилки на животноводческих фермах основной и наиболее энергоемкой операцией является измельчение стебельчатых кормов, которые в настоящее время заготавливают в тюках, рулонах разных размеров и в рассыпном виде. Выявлено, что в большинстве технологий кормление животных на крупных фермах осуществляют полнорационными смесями, приготовленными смесителями-раздатчиками типа ИСРК-12, АКМ-9 и др., а также смесями с малокомпонентным сенажно-сено-концентратным типом кормления животных и поочередным раздельным скармливанием кормовых компонентов. При этом стебельчатые корма перед смешиванием или выдачей целесообразно измельчать.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью измельчители-раздатчики ИРК-145, ИР-1,8 работоспособны только на рулонированных кормах, а ранее выпускаемые измельчители ИРТ-165, ИРТ-80 на стебельчатых материалах в тюках и в рассыпном виде. Поэтому имеется необходимость в создании универсальных измельчителей стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и в рассыпном виде.

Связь темы диссертации с планом научно-исследовательских работ. Исследования, составившие основу диссертации, выполнены по плану НИР и ОКР ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011-2015 годы по заданию 09.02 «Разработать научные основы и методологию модернизации животноводства на базе ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий и технических средств нового поколения».

Научная гипотеза. Эффективность использования стационарных и мобильных технологических систем на фермах КРС, обеспечивающих приготовление полноценных кормосмесей, а также малокомпонентный тип кормления животных и поочередное скармливание кормовых компонентов можно повысить за счет измельчения стебельчатых кормов и подстилки специализированными универсальными измельчителями.

Рабочая гипотеза. Требуемое качество измельчения и равномерная выдача стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и в рассыпном виде, изменение производительности в широком диапазоне возможны путем разработки универсального приемно-подающего устройства и энергосберегающего рабочего органа с регулированием степени измельчения.

Цель исследований - обоснование параметров и режимов работы универсального измельчителя стебельчатых кормов в рулонах для ферм КРС.

Объект исследований - технологические процессы измельчения и дозированной выдачи стебельчатых кормов универсальным измельчителем с вертикальным вращающимся бункером и молотковым ротором.

Предмет исследований - закономерности процессов измельчения и выдачи стебельчатых материалов универсальным измельчителем с вертикальным вращающимся бункером и молотковым ротором.

Методы исследований - функционально-стоимостный анализ (ФСА), статистическое моделирование, компьютерный и натурный эксперименты.

Реализация результатов исследования. Конструкторская документация на универсальный стационарный измельчитель стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах и в рассыпном виде передана ООО «Агро-стимул» (г.Киров), а изготовленный экспериментальный образец указанного измельчителя внедрен в ООО «Русская грибная компания» (г.Самара) на хоздоговорной основе.

Научная новизна включает:

- полученное аналитическое выражение, с помощью которого установили закономерности между частотой вращения ротора, геометрическими размерами и массой молотков, силой отделения материала от массива, вылетом молотков в рабочую зону с учетом отклонения их от радиального положения и выявили рациональные значения указанных параметров и режимов молоткового аппарата универсального измельчителя;

- установленные зависимости, позволившие определить производительность измельчителя, мощности, потребные на привод молоткового ротора и вращающегося бункера, и оценить неравномерность выдачи измельчаемых материалов.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики инженерного расчета универсальных стационарных измельчителей и мобильных измельчителей-раздатчиков стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и рассыпном виде.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (г.Зерноград, 2009-2011 годах), Международной научно-практической конференции молодых ученых республики Беларусь (г. Минск, 2010 год), а также на Международных конференциях ДГТУ (г.Ростов-на-Дону, 2010 год), на XV Российской агропромышленной выставке «Золотая осень - 2013» была получена бронзовая медаль «За разработку технологии и оборудования сено-сенажно-концентратного кормления КРС».

На защиту выносятся следующие основные положения:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема универсального измельчителя стебельчатых кормов, обеспечивающая универсальность по видам перерабатываемых материалов, рациональные значения производительности и качества измельчения материалов;

- теоретические зависимости и экспериментальные данные, характеризующие процессы взаимодействия рабочих органов универсального измельчителя со стебельчатыми материалами;

- методика инженерного расчета основных параметров и режимов работы универсального измельчителя с ротором молоткового типа и с вертикальным вращающимся бункером, оборудованного пружинными захватами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей и 1 книга, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 2,37 п. л., из них лично соискателю принадлежат 1,18 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы, включающего 128 наименований, и 5 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 156 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 36 иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, выдвинуты научная и рабочая гипотезы, сформулирована цель, объект и предмет исследований, изложены научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние машинного обеспечения процессов измельчения стебельчатых кормов в скотоводстве» рассмотрены применяемые и перспективные технологические схемы кормления КРС, проведен анализ существующих технологий и технических средств для измельчения, раздачи стебельчатых кормов и внесения подстилки.

Из многообразия существующих машин для переработки стебельных кормов большинство ученых отдают предпочтение измельчителям, снабженным молотковыми рабочими органами, и в большей мере удовлетворяют зоотехническим требованиям, предъявляемым к готовому продукту, сравнительно просты по устройству, долговечны и надежны в работе.

Кроме того выявлено, что универсальные измельчители должны базироваться на применении вращающихся вертикальных загрузочных бункеров.

Исследованиям процесса измельчения стебельчатых материалов посвящены работы: Т.А. Абилжанова, В.Р Алешкина, A.A. Артюшина, Н.Ф. Баранова, H.A. Барсова, В.А. Голикова, А.И. Завражнова, В.Г. Кобы, Г.М. Кукты, C.B. Мельникова, В.Г. Мох-наткина, Н.И. Ревенко, Н.Е. Резника, П.М. Рощина, П.А. Савиных, В.И. Сыроватки, В.А, Сысуева, В.И. Стяжкина, В.А. Константинов, В.П. Иванов и другие.

Рекомендуемые ими параметры измельчителей отличаются широкими диапазонами: скорость рабочих органов - 35-72 м/с, удельная энергоемкость процесса - 3,311,75 кВтч/т, зазор между концами молотков и декой - 10-35 мм, разрушающая сила стеблей - 1,6-22,0 Н, угол наклона жесткозакрепленных измельчающих рабочих органов - 18-50° относительно радиус-вектора, проходящего через ось вращения.

В связи с этим возникла необходимость в уточнении некоторых параметров универсальных измельчителей.

В соответствии с поставленной целью решали следующие задачи исследований:

- обосновать функциональную и конструктивно-технологическую схемы универсального измельчителя стебельчатых кормов в тюках, рулонах и в рассыпном виде для ферм крупного рогатого скота.

- выявить зависимости технологического процесса универсального измельчителя, определить рациональные параметры и режимы его работы.

- определить энергетические и качественные показатели работы универсального измельчителя.

- провести производственную проверку, определить экономическую эффективность использования и разработать методику инженерного расчета универсального измельчителя кормов и подстилки.

Во второй главе «Теоретические исследования процессов измельчения и раздачи стебельчатых кормов и подстилки измельчителем с вертикальным вращающимся бункером» обоснованы конструктивно-технологические схемы стационарных и мобильных универсальных измельчителей стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах и в рассыпном виде, приведены результаты теоретических исследований по обоснованию параметров молоткового аппарата универсального измельчителя стебельчатых кормов и подстилки, рассмотрены вопросы равномерности раздачи стебельчатых кормов измельчителями-раздатчиками и энергетических затрат на привод вертикального вращающегося бункера и молоткового ротора измельчителя.

Проведенный анализ позволил установить, что в универсальном измельчителе стебельчатых кормов и подстилки целесообразно использовать вертикальный вращающийся бункер и ротор молоткового типа.

Предлагаемый измельчитель (рис.1) состоит из вертикального вращающегося бункера, выполняющего роль питателя, измельчающего ротора с молотками, подбара-банья с отрезным ножом, гребенкой с регулируемыми противорезами, приводов ротора. Вертикальный бункер с двумя подпружиненными захватами обеспечивает по неподвижному днищу равномерную подачу к измельчающему ротору стебельчатых кормов в любой форме: тюках, рулонах и в рассыпном виде. Измельченный материал

1 - бункер загрузочный; 2 - захват подпружиненный; 3 - нож (с гребенкой

при необходимости); 4 - ротор; 5 - лифтер поддерживающий; 6 - захват вспомогательный; 7 - днище; 8 - подбарабанье с выгрузным устройством; 9 - направляющий козырек; 10 - привод ротора; 11 - привод бункера; 12 - блок поддерживающих роликов; 13 - рама; 14 - смотровая площадка; 15 — планка

противорезов

Рисунок 1 - Универсальные стационарный измельчитель и мобильный измельчитель - раздатчик стебельчатых кормов и подстилки

При создании универсального измельчителя надо иметь ввиду, что надежность и срок службы работы измельчающего устройства во многом зависит от вибрационных сил, возникающих при высокой частоте вращения не всегда сбалансированного ротора, т.е. надо стремиться к минимально допустимой его частоте вращения, в том числе и от ВОМ трактора.

Для обоснования параметров молоткового ротора вначале было составлено дифференциальное уравнение движения молотков. В этом случае были получены сложные выражения затрудняющие получение конкретных значений параметров. Поэтому были применены более простые методы и приняты ряд допущений: не учитывалась сила сопротивления воздушной среды, сила трения в шарнире молотка.

С учетом того, что за один оборот бункера от слоя материала отделяется порция объемом (выражение 1), было получено выражение производительности (2).

V = nr62Ht, (1)

где гб - радиус бункера, м;

H¡ - высота выхода молотков над днищем бункера, м.

Q = 60лг^Н]рпб у/^2, (2)

где Пб — частота вращения бункера, мин"1; р - плотность материала, кг/м3;

y/¡ — коэффициент отставания скорости материала от скорости бункера; ц/2 - коэффициент неравномерности плотности измельчаемой массы.

Из выражения (2) видно, что производительность измельчителя прямо пропорциональна частоте вращения бункера пб, величины внедрения молотков в материал или толщины срезаемого слоя Hi. Эти величины можно менять в процессе конструирования и эксплуатации измельчителя, а следовательно, получать разную его производительность. При выборе величины внедрения молотков в материал или толщины срезаемого слоя Hi необходимо учитывать отклонение молотков во время работы от радиального положения за счет сопротивления материала, то есть уменьшение радиуса, описываемого молотками. Отклонение молотков влияет также на увеличение зазора между ними и декой, являющегося одним из параметров измельчающего устройства.

Теоретически установлено, что величина зазора Н между декой и молотками, зависит от длины молотка до оси подвески // и угла наклона молотка а от радиального положения. С некоторым приближением можно принять

Н = /,(1 -cosa), (3)

Из выражения (3) видно, что уменьшение радиуса, описываемого молотком, зависит от длины молотка до оси подвески и угла наклона молотка.

При рассмотрение взаимодействия свободно подвешенного молотка с исходным материалом, подаваемым вращающимся бункером, учитывали, что на молоток действуют сила тяжести Р, центробежная сила инерции F, , Кориолисова сила f7 и сила разрушения материала Р/. Было составлено уравнение (4) равновесия моментов сил приложенных к молотку. Выбрав центр привидения в точке О, видим, что Кориолисова сила не создает момент относительно осей координат и поэтому ее не учитывали.

Mn +MP=MFi,

(4)

где МР< ,МР и Л/;. — моменты соответственно от силы разрушения материала, силы тяжести молотка и центробежной силы.

Определим момент от силы тяжести молотка. При этом примем допущение, что сила тяжести Р приложена к центру части молотка, расположенной выше оси подвески (рис. 2). Силой тяжести нижней части молотка, расположенной до оси подвески, пренебрегаем.

Плечо действия силы тяжести молотка Р определим из А ОАВ:

/,

ВА = -^ьта; (5)

Рисунок 2 - Схема к определению момента от силы тяжести, центробежной силы, силы разрушения материала

Момент Мр силы Р составит:

Мр = 6а/, р ^ sin а

и 1> ■ - bap — sma,

(6)

где b, а - соответственно ширина и толщина молотка, м; /, — длина молотка от оси подвески, м; а — угол наклона молотка относительно радиуса - вектора, проходящего через оси подвески молотка и вращения ротора, град.

Центробежная сила F,, приложена к центру тяжести части молотка, размещенной выше оси подвески молотка (точка А) и направлена по радиус-вектору, проходящему через центр тяжести молотка и центр вращения ротора (рис. 2).

Радиус-вектор, по которому действует центробежная сила, расположен под углом а2 к радиус-вектору, проходящему через центры поворота молотка и вращения ротора. Из А 0[0А определим угол а2- В этом треугольнике даны две стороны гь 1,/2 и угол OiOA равный 180° - а".

Определив сначала сторону г2 (радиус, описываемый центром тяжести молока), затем по теореме синусов нашли sina2, откуда определили а2 и из А ОСА нашли плечо действия силы F/

АС = — sin(a-a,) = — sin 2 2 2

/, sin(180 - а)

2Л/-і-+ г,2-/,/icos(l 80-a)

„ V. яОи яг,л аЫ.р

Так как К = т—, V =-= —и т = ——,

1 г2 60 30 Й

где у„ — линейная скорость центра тяжести молотка, м/с;

т — масса молотка, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с Тогда,

Ъ =

Ьа1хрлгг2пг

ЗО2*

Момент от силы составит:

Ьац ря пп =—---—вт

м о /л 2

ЗО V 2

а - агсвт -

/, 8іп(180-а)

+ г,2 - /,/-, сов(180 - «)

(9)

Аналогичным путем был пределен момент от силы разрушения материала Р/. В целях упрощения математических выкладок было принято допущение, что сила Рі приложена к центру торцовой стенки молотка и направлена перпендикулярно к радиус-вектору, проходящему через центр вращения ротора и центр торцовой стенки молотка (рис. 2).

МР

■ Р,7, сое

а - агсБіп

/, Біп(180-а)

д//,2 + г,2 - 2соб(1 80 - а)

(10)

Подставляя значения МР] ,МР и Мр> из выражений (10), (9) и (6) в выражение (4), получим:

302£-2т, сое

а - агсБіп

/, яіп(180 - а)

■у//,2 + г,2 - 2/, г, соб(1 80 - а)

I2

-Ьар~%та |

1/2

Ьаі\рлг + г\ ~ 1\г\ сов(180 - а) вігі

а - агсвіп -

/, вт(180-а)

2,1^ + П2 ~кг\ ««(180-«)

.(11)

Из выражения (11) видно, что все параметры измельчающего устройства: геометрические размеры и радиус подвески молотков, угол отклонения молотков, частота вращения ротора находятся в сложной взаимосвязи между собой и разрушающей силой материала.

Полученное уравнение позволяет проанализировать количественные связи между параметрами измельчающего ротора молоткового типа и выбрать их рациональные значения применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Из рисунка 3 видно, что темпы увеличения зазора между молотком и декой вначале с увеличением угла наклона молотков до 25° небольшие, затем они возрастают, особенно для длинных молотков. При а = 25° увеличение зазора составляет от 7 до 17 мм, а при 40° - от 23 до 42 мм в зависимости от размеров молотков и радиуса, описываемого осями их подвески. Следует иметь в виду, что при измельчении материала в муку зазор между молотком и решетом должен быть равным 5-10 мм, то есть увели-

чение зазора не должно превышать 5 мм, а это может быть только при отклонении молотка до 15-20°.

П, мин 1600 1400

1200 1000 800 600 400 200 0

1

50 40 30 20 10 0

-для ротора с 1] = 0,1м;

Г] = 0,165м; 2 —для ротора с1|=0,13м;

Г! = 0,135м; 3-для ротора с 1) = 0,18м;

Г! = 0,085м 4 - для ротора с 1! = 0,26м;

г, = 0,135м

Рисунок 3 - К выбору частоты вращения ротора в зависимости от допустимого увеличения зазора между молотками и декой

900 750 600 450 300

"а=5°

ч

4)1=10

ча=20

Рисунок 4 - Зависимость частоты вращения ротора п от длины молотков // при разных углах отклонения молотков

0.08 0.1 0,12 0.14 0.16 0.18 її,

Из рисунка 4 видно также, что размеры молотков при одном и том же радиусе окружности, описываемой молотками равным 0,265 м, на частоту вращения ротора влияют незначительно (разница не превышает 8,5%). Однако минимальная частота вращения ротора с такими размерами имеет место при длине молотка // = 0,13 м. Меньшее значение частота вращения имеет место на роторе большого диаметра 0 = 0,79 м с молотками длиной /, = 0,26м и радиусом их подвески гі = 0,135 м. Однако ротор такого диаметра значительно сложнее вписывается в конструкцию измельчителя и его труднее балансировать.

Требуемая частота вращения ротора зависит также от величины усилия разрушения материала (рис. 5). Однако усилие разрушения материала на каждом молотке различны. На периферийных молотках они имеют большие значения, обусловленные большей подачей материала на них и большей плотности периферийных слоев материала в рулоне.

В связи с вышеизложенным каждый разноудаленный молоток от центра бункера должен иметь индивидуальные параметры по массе и скорости, с тем чтобы обеспечить одинаковые углы их отклонения при разной пропускной способности, обуславливающей разное усилие разрушения на молотках от 30 до 80 Н.

Рисунок 5 — Зависимость требуемой частоты вращения ротора пс /у = 0,130м и г, = 0,135 м, Ь = 0,05 м, а = 0,01 м от величины усилия разрушения материала Р/ при разных углах отклонения молотков а

Поэтому в измельчителях рулонированных кормов с вертикальным вращающимся бункером, молотковый ротор целесообразно выполнить из двух частей: первая часть которого должна иметь длину примерно одну треть общей длины ротора и частоту вращения не менее 1600 мин"1, вторая часть ротора имеет пониженную частоту вращения до 1000 мин"1.

С целью изучения причин, влияющих на величину отклонений веса порций материала, выдаваемых за одинаковые промежутки времени, рассмотрим работу такого измельчителя-раздатчика.

Производительность измельчителей обуславливается условиями их использования. Так, если они применяются в мобильном варианте в качестве измельчителя-раздатчика, то производительность их можно определить из выражения:

V • л

6 = 3,6-

а, К '

где V- рабочая скорость агрегата при выдаче в кормушку, м/с.; ц - суточная норма выдачи корма на 1 голову, кг; аг фронт кормления, приходящийся на 1 голову К— кратность кормления в сутки.

Приравнивая правые части выражений (14) и (2), получим:

3>6~~~~7 = бОяг/Я, п6уцгу а, ■ К

(12)

(13)

Так как — = разовая дача корма на одно животное, то К

Ч\ - —

3,6 и

(14)

Из теории ошибок известно, что относительная ошибка произведения нескольких приближенных величин равняется алгебраической сумме относительных ошибок всех множителей и если за критерий количественной оценки качества дозирования принять коэффициент вариации, то получим:

V = +У + V + V + V + V

Ч Г "б ~ " ~ 4>г'

Входящие в выражение (15) величины в дальнейшем будем называть неравномерностью соответственно дозирования, плотности материала по высоте слоя в бункере, частоты вращения бункера, скорости движения агрегата, коэффициентов отставания скорости материала от скорости бункера, пористости укладки прессованного материала в бункере.

Ранее Тищенко М.А. было получено уравнение зависимости неравномерности плотности рассыпного материала от высоты слоя в бункере:

тА^гВН (1 - е~2ВН ) - 4(1 - е~вн )2

2 ВН

А тЛ /1 „-ВН \

Го ~вн

100

(16)

С помощью выражения (16), применительно к параметрам предлагаемого измельчителя, была построена зависимость неравномерности плотности материала в рассыпном виде от высоты слоя при р = 0,5 м и установлено, что допускаемая неравномерность плотности материала (15%) имеет место при высоте слоя материала в бункере не более Зм.

Возможные отклонения скорости движения агрегата и частоты вращения бункера определены из условия, что скорость движения агрегата и частота вращения бункера прямо пропорциональны частоте вращения коленчатого вала двигателя. Возможную неравномерность их найдем из регуляторной характеристики двигателя Д-240 трактора МТЗ-82 . Из нее было выявлено, что зависимость частоты вращения коленвапа двигателя п от мощности /V, развиваемой двигателем, можно выразить уравнением:

п = 2368,8-1,9816И , (17)

Допуская, что в приводе отсутствует пробуксовывание, получили неравномерности скорости агрегата и частоты вращения бункера измельчителя от нагрузки:

V =__,00. (18)

" 2368,8- 0,9Ш^ти-Мтт)

Подсчет по формуле 18 показал, что при полной выгрузке из бункера материала неравномерность не превышает 0,1%. Выразить неравномерность коэффициентов отставания скорости материала от скорости вращения бункера, а также пористости укладки прессованного материала в бункере аналитическим путем в настоящее время не представляется возможным. Поэтому величину и \'¥г целесообразно определить экспериментальным путем.

Таким образом V* = + ^ ~ ^ + + V '

Подсчет по формуле (19) с учетом экспериментально определенных некоторых величин показывает, что предельная неравномерность дозирования сена, соломы и сенажа в рулонах не превышает 5%, сена и соломы в рассыпном виде - до 12%, сена и соломы в тюках - до 15%.

Мощность, потребная на привод измельчителя, складывается из мощности на привод ротора и вращающегося бункера. Мощность, потребная на привод ротора, складывается из мощности холостого хода ротора и мощности на измельчение материала.

гДе ^сум - суммарная мощность, потребная на привод измельчителя, кВт;

N ^ - мощность холостого хода ротора, кВт;

¡Чи:1М - мощность, потребная на измельчение материала, кВт;

- мощность, потребная на привод вращающегося бункера измельчителя, кВт. В свою очередь мощность, расходуемая на измельчение материала, складывается из мощностей на отделение материала от массива, разрушение его на противоре-зах и преодоления силы трения материала о деку с противорезами. Выразить аналитическим путем указанные составляющие мощности на измельчение материала в условиях значительных колебаний подачи (производительности) и физико-механических свойств его (влажности, вида, размерных характеристик и т.д.) не представляется возможным. Поэтому Л^ выразим через суммарное усилие Р{ разрушения материала молотком.

иг(г1+/1Х0,799Є- 1,554)

N „.„. = ■

(21)

1947,6

Мощность, потребную на привод бункера, более целесообразно определить по эмпирическому выражению:

Лг5=0,047гсб2 -0,033иб+0,718. (22)

Мощность холостого хода Л^ ротора измельчителя определяется из теории молотильного барабана, разработанной В.П. Горячкиным.

Тогда суммарная мощность на привод измельчителя составит:

N — /у . ге(1+/,)(0,7996-1,554) 2

МсуЛ,-Мхх+-\wj~6-+ (0,047яв -0,033«6 +0,718). (2з)

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» даны общая методика и программа проведения экспериментов, описаны экспериментальный образец измельчителя, приборы и измерительная аппаратура, используемые при исследованиях, изложены частные методики исследований и обработки экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования и проверку работоспособности экспериментального образца измельчителя проводили на территории СКНИИМЭСХ на соломе и сене в рулонах (Рис. 6,а). Размеры рулонов были равны: диаметр 1,8 м, высота 1,2 м. Влажность составляла 10-45 %. Средний размер неизмельченного сена составлял 220мм, соломы 284 мм. Объемная масса соломы в рулоне была равна 136 кг/м3, сена -110 кг/м3.

Частота вращения бункера определялась визуально за 1 минуту, ротора - с помощью тахометра. Мощность, потребная на привод ротора, измерялась трехфазным счетчиком электрической энергии ЦЭ 685 с тремя трансформаторами тока, бункера -прибором К505 с суммированием мощности на каждой фазе (рис. 6,6).

Для выявления влияния режимных и конструктивных особенностей на качество готового продукта в процессе измельчения стебельчатого материала, нами был проведен многофакторный эксперимент. В качестве регулируемых факторов были приняты:

частота вращения бункера измельчителя лотковое пространство.

и

Рисунок 6 - а - Экспериментальный образец измельчителя; б - Приборы для энергетической оценки измельчителя

глубина внедрения противорезов в межмо-

Факторы и уровни их варьирования

Факторы Значения Глубина внедрения противорезов в межмолотковое пространство, мм Частота вращения бункера измельчителя, мин"'

Кодирование (безразмерное) Х2 X,

-1 0 + 1 -1 | 0 1+1

Натуральное т, мм пб, мин"'

30 ] 50 70 1,5 | 4,5 | 7,5

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» изложены результаты экспериментальных исследований и проверки соответствия теоретических зависимостей опытным данным.

В ходе реализации композиционного ортогонального плана эксперимента были получены данные по изучению влияния частоты вращения бункера и глубины внедрения противорезов в межмолотковое пространство на средневзвешенный размер частиц измельченного материала и построено уравнение регрессии в виде полинома второго порядка. Оценку полученного уравнения проводили с помощью критерия Кохрена, Стьюдента и Фишера.

Оценивая характер влияния факторов на данном двумерном сечении (рис. 7) на средневзвешенную длину измельченного материала, отметим следующее: частота вращения бункера оказала большее влияние на показатель качества готового продукта, чем глубина внедрения противорезов в межмолотковое пространство. Указанные качественные показатели процесса, полностью отвечающие зоотехническим требованиям, получены при частоте вращения бункера пб=4,5об/мин и глубины внедрения противорезов в межмолотковое пространство т=50мм. Эти величины и рекомендуются

в качестве рациональных значений. Результаты однофакторных экспериментов приведены на рисунках 8-11.

у = 42,456 + 19,6х, - 4,783х2 + 6,633х2

Рисунок 7 - Двумерное сечение поверхности отклика

о -----|-1--20

1 2 3 4 5 6 7 пб> мин'1 0 2 4 6 п -1

♦ солома оз. пшеницы б 5 м и "

■ сено из разиотравия ^ СОЛОМЭ ОЗ. ПШеюЩЫ

О солома оз. пшеницы (теоретическая) п

Д сено т рмиотравшЬео^тяси.) 0 сено 113 раяилрави*

Рисунок 8 - Зависимость производительности Q (а) и мощности, потребной на привод ротора N (б), от частоты вращения бункера пб

Из рисунка (8,а) видно, что производительность 0 от частоты вращения бункера пб, имеет практически линейную зависимость. Это объясняется тем, что при увеличении частоты вращения бункера пропорционально возрастает подача материала в ротор.

Рассматривая график 8,6 зависимости потребной мощности N на привод ротора от частоты вращения бункера п6, можно заметить так же повышение мощности при увеличении частоты вращения бункера. Это объясняется тем, что при повышении частоты вращения бункера увеличивается объем измельчаемого материала и на его измельчение требуется больше затрачивать энергии.

Средний размер частиц материала Ьср с повышением частоты вращения бункера увеличивается пб (рис. 9,а). Это объясняется тем, что с повышением частоты вращения бункера уменьшается количество ударов молотков по порции отделяемых частиц корма.

ч,

мм 43

42

41

40

1 1 Ьс[=0,106п^-0,339п6+21,166

4=0.10 5^-0,315 пб+40,484

3 4,14 5, ■ солома оз. пшеницы ♦ сеио из разнотравна

Пб, мин

Ь„, мм

♦ солома оз. пшегащы ■ сено га разнотравна

Рисунок 9 - а - Зависимость среднего размера частиц Ьср от частоты вращения бункера щ\ б - Зависимость производительности <2 от высоты слоя

материала в бункере Исл

Производительность измельчителя <2 мало зависит от высоты слоя Исл рулони-рованного материала в бункере (рис. 9,6). Интервал изменения производительности в процессе изменения высоты слоя материала не превышает 5%.

Е, кВтч/т 12

10

-)Е=0,307 п?-2,899п ;+16,181

ч

хс

4 Е=0,342п 5-3,09пб+ і—— 5,058 -

Рисунок 10 - Зависимость удельной энергоемкости процесса измельчения Е от частоты вращения бункера п6

Пб, мин"

солома оз. пшеницы сено из разнотравня

Удельная энергоемкость процесса Е измельчения от частоты вращения бункера пб изменяется по параболической зависимости с точкой оптимума на 4,14 мин" (рис. 10).

Н 60

40

20

0

V" Р 1=0,79 90-1,554 ♦

V \ \

♦

Рисунок 11 - Зависимость усилия разрушения Р] от производительности 2

2 4 6 8 , т/ч

На рисунке 11 видно, что усилие разрушения материала Р, возрастает с повышением производительности измельчителя <2 по линейной зависимости. Мощность, потребная на привод бункера Ыб, также повышается с увеличением частоты вращения пц (рис.12).

^6=0. г Э47пд-0,0 ЗЗп6+0,7 18

х \

6 Пб, мин"1

Рисунок 12 - Зависимость мощности, потребной на привод бункера N6, от его частоты вращения бункера п6

В пятой главе «Методика инженерного расчета универсального измельчителя стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах и в рассыпном виде» на основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета, в которой отражены особенности определения основных конструктивных, кинематических и технологических параметров измельчителя.

В шестой главе «Технико-экономическая оценка применения универсального измельчителя стебельчатых кормов» установлено, что применение предлагаемого варианта измельчителя на ферме КРС размером 1000 голов в сравнении с ранее серийно выпускаемым измельчителем стебельных кормов ИРТ-165 позволяет снизить эксплуатационные затраты на 28,8%, удельную энергоемкость на 36,1%, удельную металлоемкость - на 36,6% и получить годовой экономический эффект 347,4 тыс.руб. Срок окупаемости предлагаемого измельчителя составляет 3 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе проведенных исследований выявлено, что на фермах крупного рогатого скота размером более 500 голов во всех перспективных и существующих технологиях кормления животных стебельчатые корма перед смешиванием или выдачей целесообразно измельчать на специализированных универсальных измельчителях с вертикальным бункером и ротором молоткового типа. Такие измельчители универсальны по видам измельчаемых материалов и по возможности применения и обеспечения требуемых производительности и степени измельчения в различных условиях эксплуатации.

2. На основе полученных теоретических выражений проанализированы количественные связи между частотой вращения ротора, геометрическими размерами и массой молотков, силы отделения материала от массива, вылетом молотков в рабочую зону с учетом отклонения их от радиального положения во время работы и выявлены рациональные значения указанных параметров применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Установлено, что в измельчителях рулонированных кормов с вертикальным вращающимся бункером молотковый ротор целесообразно выполнить из двух частей; первая часть которого должна иметь длину примерно одну треть общей длины ротора и частоту вращения не менее 1600 мин"1, вторая часть ротора должна иметь пониженную частоту вращения до 1000 мин"1. Первую часть ротора целесообразно оснащать

утолщенными молотками для уменьшения угла отклонения их при работе и увеличения срока службы.

3. Компьютерные эксперименты, проведенные по аналитическим выражениям с учетом экспериментально полученных значений среднего суммарного усилия разрушения материла молотками при производительности 6 т/ч, показали, что допустимое увеличение зазора между молотками и декой (решетом) до 5 мм возможно при отклонении молотков на 5-10° при диаметре ротора 0,53м и частоте вращения 580-600 мин". Размеры молотков при одном и том же радиусе, описываемой ими окружности, равном 0,265 м, на частоту вращения ротора влияют незначительно. Частота вращения ротора такого диаметра минимальна при длине молотка от оси подвески, равной 0,13 м. При большой производительности (до 9 т/ч), когда среднее суммарное усилие разрушения материала, действующее на молоток, возрастает свыше 80Н, частота вращения первой части ротора в этом случае должна быть более 2500 мин"1, второй части ротора до 1500 мин"1. При измельчении материала на корм с выдачей его в кормушки, т.е. до частиц средним размером до 150 мм, когда среднее суммарное усилие разрушения материала молотками составляет менее ЗОН, достаточно иметь частоту вращения обеих частей ротора 1000 мин"1.

4. Получены теоретические выражения, устанавливающие зависимость производительности и мощности, потребной на привод измельчителя, от частоты вращения бункера, плотности материала, высоты выхода молотков над днищем бункера (величиной внедрения молотков в материал или толщины срезаемого слоя), коэффициентов отставания скорости материала от скорости бункера, коэффициента неравномерности плотности измельчаемой массы.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что средний размер частиц, производительность и мощность, потребная на привод измельчителя, возрастает с увеличением частоты вращения бункера. Минимальная удельная энергоемкость процесса измельчения имеет место при частоте вращения бункера равной 4 мин"'. При этой частоте вращения бункера обеспечивается производительность 6 т/ч при мощности, потребной на привод ротора, 50 кВт, бункера 1,5 кВт и среднем размере частиц измельченного продукта 41мм.

5. Получены аналитические выражения, позволившие оценить влияние нестабильности плотности материала по высоте слоя в бункере, частоты вращения бункера, скорости движения агрегата, коэффициентов отставания скорости материала от скорости бункера, пористости укладки прессованных тюков в бункере на неравномерность выдачи измельченных материалов. Подсчет по полученным выражениям с учетом экспериментально определенных некоторых величин показал, что предельная неравномерность дозирования сена, соломы и сенажа в рулонах не превышает 5%, сена и соломы в рассыпном виде - до 12%, сена и соломы в тюках - до 15%. Поэтому предлагаемые измельчители на раздаче стебельчатых материалов наиболее целесообразно использовать на сене, соломе и сенаже в рулонах.

6. По методике инженерного расчета, разработанной с учетом полученных теоретических и экспериментальных зависимостей, были рассчитаны основные конструктивные и кинематические параметры универсального измельчителя стебельчатых кормов, которые были заложены в конструкторскую документацию на стационарный и мобильный варианты измельчителя, по которой был изготовлен опытный образец

стационарного измельчителя и передан заказчику. Кроме того, разработана конструкторская документация на модификацию измельчителя для производства муки из сена и соломы на корм и топливные гранулы (брикеты).

7. Применение универсального измельчителя стебельчатых кормов в тюках, рулонах и в рассыпном виде на молочно-товарной ферме на 1000 коров позволяет снизить эксплуатационные затраты на 28,8%, удельную энергоемкость на 36,1%, удельную материалоемкость на 36,6%, и получить годовой экономический эффект 347,4 тыс.руб. в сравнении с серийной дробилкой ИРТ-165 при сроке окупаемости - 3 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Яковлев A.B. Универсальный измельчитель стебельчатых материалов в тюках и рулонах [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев // Техника и оборудование для села. -2010.-№8.-С. 14-15.

2. Яковлев A.B.Обоснование параметров молоткового аппарата измельчителя стебельчатых кормов [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2011. - №2. - С. 40 - 45.

- в сборниках научных трудов и материалах конференций:

3. Яковлев A.B. Обоснование эксплуатационно-технологических требований к оборудованию для малокомпонентного сенажно-концентратного типа кормления животных [Текст] / М.А.Тищенко, А.Т. Овчинников, A.B. Яковлев // В сб.: "Механизация технологических процессов в животноводстве: технологии, машины, оборудование". СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2009. - С. 29 - 40.

4. Яковлев A.B. Обоснование параметров молоткового аппарата измельчителя стебельчатых кормов и подстилки [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев // В сб.: "Инновационные технологии и техника — основа повышения эффективности животноводства". СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2010. - С. 37- 48.

5. Яковлев A.B. О равномерности раздачи стебельчатых кормов измельчителями-раздатчиками с вертикальными вращающимися бункерами и молотковыми роторами [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев // В сб.: "Инновационные технологии и техника

- основа повышения эффективности животноводства". СКНИИМЭСХ. — Зерноград, 2010.-С. 95- 104.

6. Яковлев A.B. Результаты экспериментальных исследований универсального измельчителя стебельчатых кормов и подстилки в тюках и рулонах любых размеров [Текст] / М.А.Тищенко, C.B. Брагинец, A.B. Яковлев, В.И. Клименко// В сб.: "Инновационные технологии и техника - основа повышения эффективности животноводства". СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2010. - С. 369 - 372.

7. Яковлев A.B. Результаты экспериментальных исследований универсального измельчителя молоткового типа [Текст] / A.B. Яковлев// В сб.: "Энергосберегающие технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве". НПЦ HAH Беларуси по механизации сельского хозяйства. - Минск, 2010. - С. 213 - 215.

8. Яковлев A.B. Результаты теоретических исследований молоткового аппарата измельчителя стебельчатых материалов [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев// В сб.:

"Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения". ВЦ Вертолэкспо. - Ростов-на-Дону, 2010. - С. 23-32.

9. Яковлев A.B. Уточненные параметры молоткового аппарата универсального измельчителя-раздатчика стебельчатых кормов и подстилки в тюках и рулонах любых размеров [Текст] / М.А.Тищенко, A.B. Яковлев// В сб.: "Инновационные процессы и технологии: исследования, испытания, внедрение". СКНИИМЭСХ. -Зерноград, 2011. -С. 101-107.

- в книге:

10. Яковлев A.B. Проектирование и расчет технологических линий подготовки и раздачи кормосмесей дифференцированного состава многофункциональными агрегатами [Текст]: Методические рекомендации / Пахомов В.И., Яковлев A.B., Тищенко М.А., Брагинец C.B., Чернуцкий М.В., Тищенко И.И.; ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - Зерноград, 2013. - 220с.

Подписано в печать 21.11.2013г. Формат 60x84 1/16 Объем 1,0 п.л. Тираж 120 экз. Заказ 2-2013 Печатно-множительная группа СКНИИМЭСХ

Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи

04201454156

ЯКОВЛЕВ Антон Владимирович

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ СТЕБЕЛЬЧАТЫХ КОРМОВ И ПОДСТИЛКИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ БУНКЕРОМ И РОТОРОМ МОЛОТКОВОГО ТИПА

Специальности 05.20.01 - Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук старший научный сотрудник Тищенко М.А.

Ростов-на-Дону -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................... 5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАШИННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТЕБЕЛЬЧАТЫХ КОРМОВ В СКОТОВОДСТВЕ................................................................. 10

1.1 Возможные системы кормления животных и место в них предлагаемых измельчителей............................................... 10

1.2 Требования, предъявляемые к измельчителям кормов................ 14

1.3 Классификация и анализ конструкций измельчителей

кормов.......................................................................... 18

1.4 Критерии оценки качества и оптимизации работы измельчителей................................................................. 31

1.5 Обзор конструкций бункерных измельчителей стебельчатых кормов.......................................................................... 38

1.6 Анализ научных исследований процесса измельчения стебельчатых кормов........................................................ 44

Выводы и задачи исследований................................................ 50

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И РАЗДАЧИ СТЕБЕЛЬЧАТЫХ КОРМОВ И ПОДСТИЛКИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕМ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ БУНКЕРОМ..................................................................... 52

2.1 Разработка функциональной и конструктивно-технологических схем и обоснование некоторых параметров универсальных стационарных измельчителей и мобильных измельчителей -раздатчиков стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах

и в рассыпном виде......................................................... 52

2.2 Теоретическое обоснование параметров молоткового аппарата

универсального измельчителя стебельчатых кормов и подстилки ^

2.3 О равномерности раздачи стебельчатых кормов измельчителями

раздатчиками с вертикальными вращающимися бункерами и

молотковыми роторами...................................................

2.4 Энергетическая оценка процесса измельчения стебельчатых

кормов............................................................................ 84

Выводы........................................................................... 88

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................. 90

3.1 Программа и задачи исследований..................................... 90

3.2 Установка и оборудование для проведения экспериментальных исследований....................................... 90

3.3 Методика проведения экспериментальной части и определения основных характеристик материала....................................... 95

3.4 Методика определения зависимости производительности измельчителя от частоты вращения бункера............................ 96

3.5 Методика определения зависимости производительности от высоты материала в бункере........................................... Ю0

3.6 Методика проведения многофакторного эксперимента по определению влияния частоты вращения бункера и глубины внедрения противорезов в межмолотковое пространство на

100

средневзвешенную длину измельченного продукта.................

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ

АНАЛИЗ.......................................................................... Ю9

4.1 Влияния конструктивно-режимных факторов на процесс измельчения материалов................................................... Ю9

4.2 Зависимости производительности от частоты вращения бункера и высоты слоя материала в бункере......................................

4.3 Зависимости мощности, потребной на привод ротора, среднего размера частиц и удельной энергоемкости от частоты вращения бункера........................................................................ ^

4.4 Зависимости усилия разрушения материала от производительности и потребной мощности на привод бункера от частоты вращения бункера.................................................................... 124

Выводы............................................................................. 126

5 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ СТЕБЕЛЬНЫХ КОРМОВ И ПОДСТИЛКИ..... 128

6 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ СТЕБЕЛЬНЫХ КОРМОВ 132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................... 138

ЛИТЕРАТУРА.................................................................... 141

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................... 156

Введение

Актуальность темы исследования. Сельское хозяйство - одна из основных и жизненно важных отраслей народного хозяйства Российской Федерации. Основополагающей задачей, поставленной перед отраслью - полное удовлетворение потребностей населения в сельскохозяйственной продукции. Однако, животноводство, как важнейшая отрасль сельского хозяйства, не в полной мере справляется с поставленной задачей.

В настоящее время уровень продуктивности животных на 60-80% определяет фактор кормления. Поскольку кормление является самой большой статьей расходов в животноводстве, инвестиции в улучшение организаций кормления дают наибольшую прибыль. Кроме того, в связи с тем, что указанные процессы являются наиболее энергоемкими и наименее механизированными, основное снижение затрат труда и энергоресурсов в производстве животноводческой продукции можно получить в ближайшие годы за счет совершенствования систем кормления животных.

Для достижения высоких надоев молока и увеличения привесов крупный рогатый скот должен быть обеспечен высококачественными кормами в достаточном количестве. При этом около 80% питательной ценности рациона животных приходится на зеленые и грубые корма. Заготовка и хранение кормов традиционными методами сопровождаются большими потерями питательных веществ, особенно протеина и каротина, требуют больших затрат труда, в том числе ручного, что приводит к увеличению сроков проведения работ и снижению качества кормов. Проблема увеличения производительности труда в кормопроизводстве, и животноводстве в целом, может быть решена лишь путем широкого применения современных технологий и новых высокопроизводительных машин и оборудования, предназначенных для их внедрения. Одной из наиболее широко применяемых на сегодняшний день технологий, является технология заготовки прессованных кормов виде рулонов и тюков. При всех преимуществах, присущих данной технологии, име-

ется один недостаток - сложность и трудоемкость процесса раздачи кормов в рулонах и тюках на животноводческих фермах, вызванной нехваткой технических средств / 128/.

В системах приготовления и раздачи кормов и внесения подстилки на животноводческих фермах основной и наиболее энергоемкой операцией является измельчение стебельчатых кормов, которые в настоящее время заготавливаются в тюках, рулонах разных размеров и в рассыпном виде. Выявлено, что в большинстве технологий кормления животных на крупных фермах (более 500 голов): полнорационными смесями, приготовленными смесителями-раздатчиками типа ИСРК-12, АКМ-9 и др., а также технологиях с малокомпонентным сенажно-сено-концентратным типом кормления животных и поочередным скармливанием кормовых компонентов стебельчатые корма перед смешиванием или выдачей целесообразно измельчать специализированными измельчителями.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью измельчители-раздатчики ИРК-145 (республика Беларусь), ИР-1,8 (ОАО «Слободской маш-завод») работоспособны только на рулонированных кормах, а ранее выпускаемые измельчители ИРТ-165, ИРТ-80 могут работать только на стебельчатых материалах в тюках и в рассыпном виде. Поэтому имеется необходимость в создании универсальных измельчителей стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и в рассыпном виде.

Рабочая гипотеза. Требуемое качество измельчения и равномерная выдача стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и в рассыпном виде, изменение производительности в широком диапазоне возможны путем разработки универсального приемно-подающего устройства и энергосберегающего рабочего органа с регулированием степени измельчения.

Научная гипотеза. Эффективность использования стационарных и мобильных технологических систем на фермах КРС, обеспечивающих приготовление полноценных кормосмесей, а также малокомпонентный тип корм-

ления животных и поочередное скармливание кормовых компонентов можно повысить за счет измельчения стебельчатых кормов и подстилки специализированными универсальными измельчителями.

Цель исследований. Обоснование параметров и режимов работы универсального измельчителя стебельчатых кормов в рулонах для ферм КРС.

Объект исследований. Технологические процессы измельчения и дозированной выдачи стебельчатых кормов универсальным измельчителем с вертикальным вращающимся бункером и молотковым ротором.

Предмет исследований. Закономерности процессов измельчения и выдачи стебельчатых материалов универсальным измельчителем с вертикальным вращающимся бункером и молотковым ротором.

Методы исследований. Функционально-стоимостный анализ (ФСА), статистическое моделирование, компьютерный и натурный эксперименты.

Реализация результатов исследования. Конструкторская документация на универсальный стационарный измельчитель стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах и в рассыпном виде передана ООО «Агро-стимул» (г.Киров) (Приложение 1), а изготовленный экспериментальный образец указанного измельчителя внедрен в ООО «Русская грибная компания» (г.Самара) (Приложение 2) на хоздоговорной основе.

Связь темы диссертации с планом научно-исследовательских работ. Исследования, составившие основу диссертации, выполнены по плану НИР и ОКР ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011-2015 годы по заданию 09.02 «Разработать научные основы и методологию модернизации животноводства на базе ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий и технических средств нового поколения».

Научная новизна включает:

- полученное аналитическое выражение, с помощью которого установили закономерности между частотой вращения ротора, геометрическими

размерами и массой молотков, силой отделения материала от массива, вылетом молотков в рабочую зону с учетом отклонения их от радиального положения и выявили рациональные значения указанных параметров и режимов молоткового аппарата универсального измельчителя;

- установленные зависимости, позволившие определить производительность измельчителя, мощности, потребные на привод молоткового ротора и вращающегося бункера, и оценить неравномерность выдачи измельчаемых материалов.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики инженерного расчета универсальных стационарных измельчителей и мобильных измельчителей-раздатчиков стебельчатых кормов и подстилки в тюках, рулонах любых размеров и рассыпном виде.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях ГНУ СКНИИМЭСХ Рос-сельхозакадемии (г.Зерноград, 2009-2011 годах), Международной научно-практической конференции молодых ученых республики Беларусь (г. Минск, 2010 год), а также на Международных конференциях ДГТУ (г.Ростов-на-Дону, 2010 год), на XV Российской агропромышленной выставке «Золотая осень - 2013» была получена бронзовая медаль «За разработку технологии и оборудования сено-сенажно-концентратного кормления КРС».

На защиту выносятся следующие основные положения:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема универсального измельчителя стебельчатых кормов, обеспечивающая универсальность по видам перерабатываемых материалов, рациональные значения производительности и качества измельчения материалов;

- теоретические зависимости и экспериментальные данные, характеризующие процессы взаимодействия рабочих органов универсального измельчителя со стебельчатыми материалами;

- методика инженерного расчета основных параметров и режимов работы универсального измельчителя с ротором молоткового типа и с вертикаль-

ным вращающимся бункером, оборудованного пружинными захватами.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАШИННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТЕБЕЛЬЧАТЫХ КОРМОВ В

СКОТОВОДСТВЕ 1.1. Возможные системы кормления животных и место в них

предлагаемых измельчителей К настоящему времени отечественной и зарубежной наукой и практикой разработаны ряд прогрессивных технологий кормления животных /121/.

На рисунках 1.1-1.4 приведены технологические схемы кормления животных с использованием соответственно мобильных измельчителей-смесителей-раздатчиков кормов, стационарных измельчителей-смесителей кормов и с поочередным скармливанием кормовых компонентов. Во всех вышеприведенных схемах используется минимальное число машин: универсальный погрузчик всех видов кормов, универсальный измельчитель стебельных кормов и подстилки в тюках, рулонах и в рассыпном виде, мобильные измельчители-смесители-раздатчики кормов, стационарные измельчители-смесители кормов и серийные кормораздатчики КТУ-10. На фермах размером до 400 голов в первых 2-х схемах можно обойтись без измельчителей стебельных кормов, так как оставшиеся машины могут сами измельчать небольшой объем стебельных кормов.

На фермах размером более 400 голов в технологический процесс включается специализированный измельчитель стебельных кормов, с помощью которого заблаговременно делают запас измельченных кормов. В результате исключения времени измельчения стебельных кормов в цикле работы смесителя- раздатчика производительность его может возрасти до двух раз. Такая ситуация имеет место и при использовании стационарных смесителей (рисунок 1.2).

В широко распространенных технологических линиях с поочередной раздачей многие компоненты (неизмельченное сено, корнеплоды, концкорма и др.) распределяются по кормушкам вручную, что приводит к большим трудозатратам.

Агрегат кормовой многофункциональный АКМ-9

Универсальный погрузчик всех

Технологические процессы подготовки и раздачи _____полноценных кормосмесей

Силос

Помещение

Универсальный измельчитель стебельчатых кормов и подстилки

смеситель-рмдатчик кормог, 3 фронтальный по грузчик кормо», 4-приспособление г, фронтальному погрузчику, 5 - тмельчитепь грубых кормов

Рисунок 1.1- Технология и оборудование кормовых линий с использо-

ванием мобильных измельчителей-смесителей-раздатчиков кормов

1- трактор; 2 - кормораздатчик КТУ-10; 3 - бункер для концкормон Универсальный погрузчик

с загрузочным транспортером; 4- стационарный измельчитель-смеситель всех ВИДОВ кормов

кормов; 5- измельчитель

Рисунок 1.2 - Система машин для кормления КРС с использованием стационарных измельчителей-смесителей кормов

В усовершенствованной технологической линии (рисунок 1.3) стебельные корма измельчаются, поэтому они также раздаются кормораздатчиками КТУ-10. Концкорма смешиваются с жидкими добавками и раздаются раздатчиками-смесителями с бункером вместимостью Зм3 с аналогичными функциями ранее выпускаемого КУТ-3,0А.

Универсальный измельчитель

стебельчатых ,,

Универсальный погрузчик кормов и подстилки вссх видов К0рмР0'в Раздатчик кормов типа КТУ-10

I - универсальный погрузчик всех видов кормов (ИКУ-0.8 с приспособлением):

2 - кормораздатчик КТУ-10; 3 - универсальный измельчитель грубых кормов и подстилки: 4 - меситеяь-разлатчик сыпучих и жидких кормов с бункером вместимостью Зм'

Рисунок 1.3 - Усовершенствованная технологическая линия с поочередной

раздачей кормовых компонентов Ранее было установлено, что наиболее надежной и эффективной является технология круглогодового однотипного кормления скота полнорационными кормосмесями из консервированных кормов. В этом случае, как правило, применяют высокоэнергетические рационы, обеспечивающие продуктивность животных, наиболее близкую к генетическому уровню. Системы кормопроизводства с ориентацией на высокопродуктивные кормовые культуры, такие как кукуруза, соя, кормовые корнеплоды, оправданы в хорошо оснащенных, экономически крепких хозяйствах, так как их

Смеситель-раздатчик сыпучих и жидких кормов с бункером вместимостью Зм'

отличает высокая энергоресурсозатратность и требовательность к влаго-обеспечению.

Однако во многих районах Южного и Приволжского округов (Север и Восток Ростовской области, Калмыкия, Астраханская и Волгоградская области) таких условий нет. В них превалируют травяная и зернотравяная системы кормопроизводства, которые имеют относительно невысокую концентрацию энергии. В связи с этим для повышения энергонасыщен�