автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Параметры раздатчика-смесителя кормов для малых ферм крупного рогатого скота

На правах рукопису

Сысоев Денис Петрович

ПАРАМЕТРЫ РАЗДАТЧИКА-СМЕСИТЕЛЯ КОРМОВ ДЛЯ МАЛЫХ ФЕРМ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДПР 29^0

Краснодар-2010

004600897

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фролов Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Семенихин Александр Михайлович

доктор технических наук, ст. науч. сотр. Тищенко Михаил Андреевич

Ведущая организация: ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский

институт животноводства» (СКНИИЖ), г. Краснодар

Защита диссертации состоится « а Л1С<Я 2010 года в часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08. при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, Кубанский ГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Автореферат размещен на сайте www.kubsau.rt) «¿У » Ст^ел? 2010 г.

Автореферат диссертации разослан «¿7/» С\пре/\> 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

В. С. Курасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время животноводство России находится в сложной ситуации. Сокращение поголовья коров и ликвидация крупных животноводческих ферм в 90-х годах привели к развитию малых фермерских, крестьянских и личных подсобных хозяйств. По данным Л. П. Кормановского, в животноводстве насчитывается 20,4 тыс. таких хозяйств (20% к общему числу ферм), производящих 57% всей валовой продукции сельского хозяйства, в том числе молока более 50%, мяса - 55%.

Для обеспечения населения животноводческой продукцией необходимо увеличить ее количество, а это невозможно без повышения продуктивности животных за счет улучшения кормления, т. е. обеспечения животных сбалансированными кормами согласно рациону. Таким образом, вопрос повышения эффективности приготовления кормов на малых фермах является актуальным.

Важная роль в качественном приготовлении кормосмесей животным отводится специальным измельчителям и смесителям кормов, а также мобильным бункерным раздатчикам, поскольку они являются основными звеньями поточно-технологических линий приготовления и раздачи кормов.

Приготовление кормов по трудоемкости составляет 40% общих затрат труда по уходу за животными. Анализ существующей кормоприготовитель-ной техники показал, что серийно выпускаемые машины высокопроизводительны, металлоемки, энергоемки. Они неэффективны в хозяйствах с незначительным поголовьем скота, поскольку ориентированы на приготовление значительных объемов корма, а при небольших его объемах используются с низким коэффициентом полезного действия (// = 0,1-0,15), что экономически невыгодно.

Следовательно, вопрос разработки и создания новых энергосберегающих технологий и малогабаритных многофункциональных технических средств для приготовления и раздачи кормов на малых фермах является актуальным.

Исследования проводились по тематике НИР Ставропольского ГАУ в рамках государственной «Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2007 гг.»

Целыо работы является повышение эффективности процесса приготовления кормовых смесей на малых фермах КРС путем совершенствования рабочих органов раздатчика-смесителя и обоснования его конструктивно-режимных и технологических параметров.

Объект исследований - технологический процесс приготовления кормов раздатчиком-смесителем с измельчающе-смешивающим рабочим органом шнекового типа.

Предмет исследований - аналитические и экспериментальные зависимости процессов измельчения и смешивания компонентов кормовой смеси измельчающе-смешивающим рабочим органом шнекового типа.

Методика исследований. Теоретические исследования по определению основных параметров раздатчика-смесителя выполнялись с использованием методов теоретической механики, аналитической геометрии и математического анализа.

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки теоретических выводов, с использованием как классического метода проведения однофакторного эксперимента, так и теории многофакторного эксперимента.

Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований проводились методами математической статистики.

Рабочая гипотеза: использование шнековых рабочих органов позволит активизировать процесс смешивания за счет винтовой навивки, выполненной в противоположном направлении, которая создает перемещение слоев кормовых компонентов друг относительно друга в осевом направлении, а закрепленные по периметру винтовой поверхности ножевые сегменты позволят интенсифицировать процесс измельчения за счет возникающего относительного движения ножа, обеспечивающего перепиливающее действие микровыступами лезвия.

Научную новизну представляют:

- конструктивно-технологическая схема раздатчика-смесителя кормов;

- математическая модель процесса одновременного измельчения и смешивания, позволяющая определить конструктивно-режимные параметры раздатчика-смесителя, его производительность и мощность;

- уравнения регрессии конструктивно-режимных параметров раздатчика-смесителя кормов.

Практическая значимость исследований заключается в обосновании конструктивно-режимных параметров раздатчика-смесителя для приготовления кормовых смесей.

Новизна технических решений подтверждена патентом на полезную модель № 67815 и патентом на изобретение №2331191.

Реализация результатов исследований. Опытный образец измельчителя-смесителя кормов прошел производственные испытания на линии приготовления и раздачи кормосмесей молочной фермы в ЗАО «Винсадское», с. Винсады Предгорного района Ставропольского края.

Технология приготовления и раздачи кормов с применением раздатчика-смесителя внедрена в ряде хозяйств Предгорного района Ставропольского края.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях СтГАУ (г. Ставрополь 2005-2008 г.); ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2006 г.); на Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии, инновации, инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), где отмечены серебряной медалью и дипломом И степени; на заседании конструкторско-технического совета ОАО «ГСКБ г. Пятигорск» в 2008 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в десяти научных работах, в том числе три в изданиях, рецензируемых ВАК РФ, получены патент на изобретение и патент на полезную модель. Общий объем публикации составляет 2,8 п. л., из них на долю автора приходится 1,4 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 21 таблицу. Список использованных источников включает 246 наименований, в том числе 20 - на иностранных языках.

Основные положения, выносимые па защиту:

- конструктивно-технологическая схема раздатчика-смесителя, включающая в себя рабочие органы шнекового типа, по периметру винтовых навивок которых закреплены режущие сегменты;

- аналитические зависимости по обоснованию конструктивно-режимных параметров раздатчика-смесителя с рабочими органами шнекового типа;

- экспериментальные зависимости показателей работы раздатчика-смесителя с рабочими органами шнекового типа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, представлены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи научного исследования» изложены: актуальность кормления крупного рогатого скота полнорационными кормосмесями, особенности процессов приготовления кормовых смесей, приведены оценка и краткий анализ технических средств, применяемые для выполнения этих процессов.

Анализ существующих технических средств для приготовления кормов позволил совершенствовать классификацию раздатчиков-смесителей бункерного типа, которая дает возможность определить перспективное направление в разработке технических средств.

Бункерные раздатчики-смесители можно подразделить по способу перемещения монолита, характеру работы смешивающего устройства, расположению рабочего органа, совмещению функций смешивания и дозирования, способу смешивания, характеру воздействия рабочего органа на материал, а также по конструкции смешивающего органа.

Научные исследования рабочего процесса технических средств для приготовления кормов, проведенные A.A. Артюшиным, И. 3. Барфаковым, В. Г. Гонкой, Б. И. Вагиным, Г. М. Куктой, Л. М. Куцыным, С. В. Мельниковым, В. А. Стремниным, В. И. Земсковым, А. А. Кутлембетовым, Ю. В. Новиковым, В. Г. Кобой, С. М. Доценко, В. Ю. Фроловым, А. В. Бур-магой, Ю. Б. Курковым и другими, стали определяющими при разработке и совершенствовании существующей кормоприготовительной техники. Отмечено отсутствие универсального оборудования для приготовления кормов в условиях средних и малых животноводческих хозяйств.

Таким образом, возникает потребность в разработке универсальной конструктивно-технологической схемы технического средства, совмещающего следующие технологические операции: транспортировку, измельчение, смешивание и дозированную выдачу кормов.

Цель работы сформулирована с учетом актуальности проблемы. Для достижения цели поставлены следующие задачи:

-усовершенствовать классификацию раздатчиков-смесителей кормов бункерного типа, позволяющую определить перспективное направление для разработки нового технического средства и обосновать его конструктивно-технологическую схему;

- получить аналитические выражения для расчета основных конструктивно-режимных и технологических параметров раздатчика-смесителя кормов;

- создать макетный образец раздатчика-смесителя кормов, провести экспериментальные исследования и определить основные факторы, влияющие на показатели однородности смеси, гранулометрического состава и удельной мощности;

- апробировать раздатчик-смеситель кормов в производственных условиях и разработать методику расчета его конструктивно-режимных параметров;

- дать экономическую оценку эффективности внедрения раздатчика-смесителя кормов.

Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса раздатчика-смесителя кормов» изложены результаты теоретических исследований параметров раздатчика-смесителя кормов, получены аналитические зависимости производительности и мощности.

На основании анализа существующих технических средств приготовления кормовых смесей предложена конструктивно-технологическая схема раздатчика-смесителя с рабочим органом шнекового типа (рисунок 1).

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема раздатчика-смесителя (а) и шнековый рабочий орган (б)

Раздатчик-смеситель выполнен на базе мобильного бункерного раздатчика кормов РММ-5, включающего бункер 1, подающий 7 и выгрузной 3 транспортеры, в передней части которого размещены измельчающе-смешивающие рабочие органы шнекового типа. Шнеки 2 с закрепленными по наружному периметру винтовых поверхностей 4 сегментами 5 расположены таким образом, что винтовая поверхность 4 одного шнека перекрывает межвитковое пространство б другого шнека. Измельчаемый материал или кормовые компоненты смеси поступают к шнекам 2 посредством подающего транспортера 7. Привод измельчающего шнекового аппарата, продольного и выгрузного транспортеров осуществляется от вала отбора мощности трактора через карданную передачу.

При разработке измельчающе-смешивающего шнекового рабочего органа необходимо определить оптимальную скорость вращения шнеков, при которой обеспечивается устойчивое резание материала и его смешивание. Без подпорное резание осуществляется обычно при больших скоростях, что недопустимо в данном случае, поскольку неравномерное распределение кормовых компонентов у противоположных стенок бункера приведет к

снижению однородности смеси. Так как в данном случае материал сам является противорежущим элементом, это способствует снижению скорости резания, оптимальное значение которой определяется исходя из природы технологического процесса одновременного измельчения и смешивания кормов. Для этого построим график скоростей движения частицы корма, лежащей на наружной кромке шнека (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема к определению окружной скорости наружной кромки шнека

При работе шнека частицы корма движутся поступательно со скоростью о„0СТ в осевом направлении шнека и врашательно - в диаметральном направлении по траектории витков шнека со скоростью и Скорость ип

является геометрической суммой скоростей u(,it7„ и о .

Зависимость между этими скоростями выражается следующими уравнениями:

(О

COS £

и

0 (2)

tg Е

где £-угол наклона вектора абсолютной скорости к оси вращения шнека.

Если за отрезок времени At = 1 с частица т переместится по наружной кромке шнека из точки А в точку Аз, то скорости ее движения будут соответствовать следующим векторам:

1) иа = ААз - скорость абсолютного перемещения частицы корма по наружной кромке шнека - этот вектор направлен под углом £ к оси вращения шнека;

2) и„,, = А,А3 _ скорость перемещения частицы вдоль оси шнека;

3) и>р = АА] - скорость вращательного движения частицы корма;

4) ис = А2А3 - скорость скольжения частицы корма по наружной кромке шнека - вектор этой скорости направлен под углом а к вектору вращательной скорости наружной кромки шнека (а - угол подъема винтовой линии).

Из графика (рисунок 2) следует, что окружная скорость наружной кромки шнека и = АА2.

Из прямоугольного треугольника А]А2Аз (рисунок 2) получим:

и - ивр = а, (3)

Подставив из выражения (2) значение и , определим скорость и :

Важной характеристикой технического средства является коэффициент заполнения к„ который равен отношению скорости подающего транспортера и окружной скорости наружной кромки шнека:

к,=\ (5)

и

Производительность измельчителя-смесителя кормов при одновременном измельчении и смешивании определяется выражением:

0 = 0 +0 , (6)

^изм х см'

где 0;т, - производительность, приходящаяся на ножевые сегменты, кг/с; Оо,- производительность, приходящаяся на навивку шнека, кг/с.

При допущении, что распределение корма на все шнеки одинаково, то на навивку шнека приходится следующая доля производительности, которая запишется по общеизвестной формуле С. В. Мельникова:

О =0 Рок к , (V

^ СМ ПОСТ г ) !1,П '

где V) - осевая скорость движения массы корма, м/с; Г - рабочая площадь поперечного сечения шнека, м'; р - плотность материала, кг/м3; /с, -коэффициент заполнения шнека; к„п - коэффициент проскальзывания.

В развернутом виде формула (7) будет иметь вид:

(21м=(02 -с!2;Быркк1>г 8. (8)

где О и с/ - диаметры шнека и его вала, м; 5 - шаг витка, м; о> - угловая скорость шнека, с-1.

Если, допустить, что частица кормового материала перемещается по спирали Архимеда (рисунок 3), тогда рабочая площадь поперечного сечения шнека определится выражением:

, (9)

К СИ ">1>Х ' у '

где /\ - площадь круга, м2; ^спарх - площадь архимедовой спирали, м2. Площадь одного витка архимедовой спирали равна:

А 0 .3

где /• — средний радиус шнека, м; <1в - положительная непрерывная функция.

Подставив полученные значения составляющих в выражение (7), получим развернутое выражение для определения производительности навивки шнека:

2 , -

дсм = 2 — я''гСр(о л/иа(со5 а - /шг а)р кзк11р, (11)

Непосредственно на ножевые сегменты приходится производительность:

О =0-0 . (12)

~ шм ^ ^ см '

При входе ножевых сегментов в кормовую массу образуется слой корма в виде некоторой площади, ограниченной углом ф[ (рисунок 4).

Площадь, срезаемая за один оборот одним сегментом, равна площади заштрихованной фигуры (рисунок 4) и может быть определена по выражению

^ = С")

Объем материала, срезаемого за один оборот шнека равен:

=7^-11,)^, (14)

где Б - шаг витка шнека, м; Ъ\ - количество сегментов на одном витке шнека, шт; Р„зм - площадь лунки, м2.

Рисунок 3 - Схема к определению площади одного витка архимедовой спирали

Тогда, с учетом /(,=Я-ЛЬ производительность, приходящаяся на ножевые сегменты, определится из вы-(8ражения

(3 =пГг.со-%р к к , (15)

где /„ - вылет ножевого сегмента, м; р

кг/м ; к.

коэффициент

Рисунок 4-Схема к определению объема материала, срезаемого (С)^ за один оборот шнека

- плотность, заполнения.

Формулы (11) и (15) позволяют определить основные конструктивные параметры активной части измель-чающе-смешивающего рабочего органа шнекового типа.

Теоретический анализ процесса одновременного измельчения и смешивания кормовых материалов измельчающе-смешивающего рабочего органа шнекового типа позволил получить выражение для определения удельной мощности раздатчика-смесителя:

где Л'ш - мощность, затрачиваемая на измельчение кормов, кВт; ,¥см - мощность, расходуемая на смешивание компонентов кормов, кВт.

Мощность, расходуемая на измельчение, определяется формулой, предложенной И. А. Улановым:

+ (17)

где д - удельное линейное давление ножа на корм, Н/м;

— - площадь разреза в единицу времени, м/с;

/ ' - коэффициент скользящего резания; т — угол между направлением движения ножа и нормалью к режущей кромке ножа (рисунок 5), град.

Доля затрат мощности раздатчика-смесителя кормов, приходящая на навивку шнека определится по формуле

= 0,03^71 ^рсо ,?/>?а(ли а - /зш а)р ¿А,А„„,

где I

Рисунок 5 - К определению угла т скольжения

(18)

длина смешивающего раоочего органа шнека, м; гср- средний радиус шнека, м; а - угол подъема винтовой линии; и - угловая скорость шнека, с"1; к3 - коэффициент заполнения шнека; кпр - коэффициент проскальзывания; катр - коэффициент сопротивления движения корма.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены общая программа и частные методики исследований, схема экспериментальной установки, ее описание и методы обработки экспериментальных данных.

Программой исследований предусматривалось:

- изучить физико-механические свойства кормов;

- определить наиболее значимые факторы, влияющие на качественные показатели процесса приготовления кормовых смесей

- установить влияние факторов на процесс измельчения грубых кормов:

- установить влияние факторов на процесс смешивания компонентов кормовой смеси;

- установить влияние факторов на равномерность дозирования;

- проверка основных положений теоретических исследований.

Исследования проводились на экспериментальной установке (рисунок 6). В комплект установки для снятия и контроля энергетических характеристик входил комбинированный прибор К-51.

Анализ литературных источников, с учетом проведенных ранее поисковых опытов, позволил выделить наиболее значимые факторы.

Для выделения существенных факторов проводился отсеивающий эксперимент по плану Пла-кетта-Бермана, по результатам которого установлены наиболее значимые факторы: влажность грубых кормов шаг витка шнека (8); количество сегментов на одном витке шнека (20; линейная скорость подающего транспортера (ип).

За критерии оптимизации были приняты однородность гранулометрического состава (А.), неоднородность смеси (5) и удельная мощность (Му,,).

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены итоги исследований влияния конструктивно-режимных параметров раздатчика-смесителя кормов на качественные показатели процессов измельчения, смешивания и удельную мощность.

Рисунок 6 - Общий вид экспериментальной установки по исследованию процессов измельчения и смешивания кормов

Экспериментальные исследования проводились на компонентах кормовой смеси из кукурузного силоса, лугового сена и пшеничной соломы в различных процентных отношениях (по массе).

Анализа зависимостей на рисунке 7 показывает, что при увеличении средней длины частиц грубых кормов свыше 70-80 мм неоднородность приготавливаемой смеси заметно повышается. Такая длина частиц является предельной для раздатчика-смесителя.

Проводились также исследования по определению зависимости неравномерности дозирования с от скорости подающего транспортера ип, которые показали, что при увеличении скорости подающего транспортера неравномерность выдачи кормов снижается до 8-10% (рисунок 8). Опыты показали, что увеличение подачи сглаживает неравномерность плотности кормового монолита по длине бункера, а шнековый аппарат за счет активного воздействия навивки шнеков на кормовой монолит сглаживает неравномерность плотности по ширине бункера на 5-8%.

Результаты исследования зависимости неоднородности смеси от угловой скорости из-мельчающе-смешивающего аппарата показали, что минимальная однородность смеси для всех пропорций содержания грубых кормов находится примерно на одном уровне при оз - 3,82-6,7 с"1 (рисунок 9). Такая частота вращения позволяет качественно готовить кормовые смеси, включающие грубые корма.

/ / р

Г! /

>-

;п 35 50 =5 8]

Рисунок 7 - Зависимости неоднородности смеси 5 от длины частиц фубых кормов /ср о-о-о-10% грубых кормов в смеси; □-□-□-20% грубых кормов в смеси; х-х-х-30% грубых кормов в смсси

\

'' с. ^ ■-и..... . .. V —о —'s

i i 1

0.01 ЭЮ ос?. 0 0« ОС' и^н/с Рисунок 8 - Зависимости неравномерное™

дозирования а от скорости подачи и„ o-o-o-Sffia, = 200 мм; Д-Д-Д- = 250 мм; х-х-х- S,„„ = 300 мм; п-а-о- SU1J, = 350 мм

Для обоснования оценки влияния факторов на основные технологические и конструктивно-режимные параметры по результатам обработки данных эксперимента нами были получены уравнения регрессии второго порядка (программа 51аПзиса 6.0), адекватно описывающие процесс одновременного измельчения и смешивания. Раскодированные уравнения без незначимых коэффициентов имеют вид:

- для неоднородности

смеси

5 = 8825,429-9,99114\УС + 163,3588 + 10,83832, + 9,9232«,, -- 440,854\УС8 - 0,2492\Уси„ - 57,2Бг, - 2070,46845и„ - 7,375672,1),, + + 1,6793\\'с2-400,86882 - 1,169672,"'- 1,372и,г; (19)

- для однородности гранулометрического состава

X = 357,201 + 23,7612\УС - 425,9848 + 10,1642, - 37,31и, + + 18,51- 39,1 б \Усг, -62,88562Шсип-286,182, + 251,3828\>„ -

-9,657652,-ип - 4,0872\¥с2 + 1047,882 - 1,024872,2+ 5,0901иа2; (20)

- для удельной мощности

Муд= 1777,107 + 4,07086WC-41,82628 + 0,37732, - 1,95678и„-

- 78,676\УСБ - 1,52635\Уси„ + 32,60482, + 94,648и„ - 0,766922,и„ -

- 0,6865 \УС2 + 101,482 - 0,0402932,2 + 0,26786и„2. (21)

Адекватность математической модели проверили с помощью критерия Фишера табличное значение которого с уровнем значимости Д = 0,05 равно Р = 2,8. Значение критерия Фишера в моделях: для неоднородности смеси Р = 2,72; однородности гранулометрического состава - Р = 2,67; удельной мощности - Р = 2,63. Сравнение расчетных значений с табличными показало, что расчетные меньше табличных. Следовательно, полученные уравнения регрессии (19), (20), (21) адекватно описывают рабочий процесс одновременного измельчения и смешивания.

\

и

\Л % \

л

ч

2 4 6 8 а, с"1

Рисунок 9 - Зависимость неоднородности смеси § от угловой скорости шнека со о-о-о-10% грубых кормов в смеси (по массе); Д-Д-Д - 20% грубых кормов в смеси; х-х-х- 30% грубых кормов в смеси

В задачи исследования входило изучить влияние четырех независимых факторов (Wc - влажность грубых кормов; S - шаг витка шнека; Ъ\ - количество сегментов на одном витке шнека; ип - линейная скорость подающего транспортера) и определить их оптимальное сочетание при работе раздатчика-смесителя кормов. В связи с этим решалась задача поиска компро-' мисса между тремя критериями оптимизации (однородность грануломет-' рического состава, неоднородность смеси и удельная мощность), так как на экстремум для одной поверхности отклика налагаются ограничения другими поверхностями отклика.

В результате исследований установлено, что основными конструк-! тивно-режимными параметрами, влияющими на процесс смешивания, яв- ;

ляются скорость подающего транспортера (Х4) и„ и шаг витка шнека (Х2) S. : При шаге витка шнека

X2(S) = 0,20-0,25 м и ско-I роста Х^о,,) от 0,005 до 0,017 м/с (рисунок 10) навивка, выполненная в противоположном направлении, создает два встречных потока вдоль осей шнеков, интенсифицируя процесс смешивания, при этом неоднородность смеси находится на оптимальном уровне: 5 = 6-14.3 %. Уве-| личение шага витка шнека от 0,25 до 0,36 м и скоро: сти подающего транспортера Х4(и„) от 0,017 до ' 0.045 м/с ведет к повышению неоднородности смеси от 15 до 20%. Это обусловлено взаимодействием повышенного количества подаваемого кормового материала с рабочими элементами измельчающе-смешивающего аппарата, что выходит за нормы зоотехнических требований.

Результаты исследований воздействия факторов на процесс измельчения показали существенное влияние влажности грубых кормов X|(WC), количества сегментов Xj(Zi) и скорости подающего транспортера Х4(ип).

Из анализа двумерного сечения поверхности отклика X3(Zi)X4(un) (рисунок 11) следует, что с повышением скоростей от 0,018 до 0,045 м/с при минимальном количестве сегментов Z, = 8 шт. наблюдается снижение однород-

L

11 « ij<1=.1, Х2, .<3=0. >.4)

Рисунок 10 - Сечение поверхности неоднородности смеси на плоскость Х2(8)Х4(\)„) при Х,=-1 (\У=15 %) и Х3=0 (г,=11 шт.)

ности гранулометрического состава до 84-86%, что выходит за нормы зоотехнических требований. Это обусловлено минимальным воздействием измельчающих сегментов на подаваемые компоненты кормовой смеси. В пределах скоростей ип = 0,005-0,017 м/с и количестве сегментов 11-14 шт. однородности гранулометрического состава находится на уровне 85-95%. Это можно объяснить тем, что к измельчаюше-смешивающему аппарату подается минимальное количество корма в единицу времени, что приводит к активному воздействию сегментов на подаваемые компоненты кормовой смеси.

Рисунок 11 - Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х^ОХДи,,) при X, = -1 (\УС = 15 %) и X, = 0 (5 = 0,3 м)

г • фИ.ХЗМ. ХЗ. X4=0)

Рисунок 12 —Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х\(Ч/С)Х}(Х\) при Х2=-1 (5 =0,2 м) и Х4=0 (ь„ =0,025 м/с)

Анализ влияния влажности грубых кормов '\¥с на процесс измельчения (рисунок 12) показывает, что с увеличением влажности более 22% при длине частиц свыше 300 мм измельчающе-смешивающий рабочий орган шнекового типа является неработоспособным, поскольку слои корма сходят без измельчения и лишь частично смешиваются. При этом наблюдается частичное наматывание стеблей на ножевые сегменты, что. в свою очередь, ведет к снижению однородности гранулометрического состава до 80%.

Анализ сечения поверхностей отклика позволил сделать вывод, что наиболее существенное влияние на удельную мощность имеют влажность грубых кормов Х,(ШС), скорость подающего транспортера Х^и,,) и шаг витка шнека (Х{) Б.

При влажности грубьгх кормов \УС= 15-17% (рисунок 13) показатели удельной мощности минимальны и равны Муд= 1,1-1,7 кВт. При повышении влажности более Х^Х*/,.) = 22% происходит увеличение силы резания на один сегмент за счет увеличения плотности корма, проходящего через измель-

чающе-смешивающий аппарат в единицу времени, что вызывает возрастание удельной мощности процесса до 2,7 кВт.

Увеличение удельной мощности до 2,7 кВт (рисунок 14) при шаге витка шнека Хг(Б) 0,2-0,25 м обусловлено увеличением сил трения, вызванных повышением площади контакта шнековой навивки с кормовыми компонентами смеси, а также увеличением плотности корма у стенок бункера. Увеличение шага витка шнека от 0,26 до 0,4 м приводит к снижению удельной мощности в 2 раза.

На основе решения компромиссной задачи и анализа двумерных сечений установлены оптимальные параметры работы раздатчика-смесителя кормов:

1) влажность грубых кормов \УС = 17—20 %;

2) шаг витка шнека Б = 0,26-0,30 м;

3) количество сегментов на одном витке шнека = 10-12 шт.;

4) линейная скорость подающего транспортера ип =0,013-0,019 м/с.

При этом готовая кормовая смесь соответствует зоотехническим

требованиям: неоднородность смеси 5 = 12,5%; однородность гранулометрического состава \ = 87,1%; удельная мощность на одной фазе электродвигателя составила Ыуд= 1,6 КВтс/кг.

Как показал анализ поверхностей сечений и результатов экспериментальных исследований, наибольшее влияние на процесс одновременного из-

Рисунок 13 - Сечение поверхности удельной мощности на плоскость Х,(\Ус)Хз(2,) при Х2= -1 (8 = 0.2 м) и Х4 = 0 (и„ =0,025 м/с)

Рисунок 14 - Сечение поверхности удельной мощности на плоскость Х2(8)Х4(и„) при Х,= —1 (\УС= 15%) и Х3=0(7., = 11 шт.)

мельчения и смешивания оказывает линейная скорость подающего транспортера. Повышение линейной скорости подающего транспортера от 0,020 м/с до 0,045 м/с приводит к увеличению удельной мощности процесса до Му;1 = 2,7 кВт, снижению однородности гранулометрического состава до 80% и возрастание неоднородности смеси до 20%, что является ожидаемым из-за повышенного количества подаваемого кормового материала к измель-чающе-смешивающему аппарату.

С целью проверки полученных формул (6) и (16) были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния скорости подающего транспортера и„ на производительность и удельную мощность раздатчика-смесителя, при этом остальные параметры предварительно устанавливались на оптимальные уровни. Анализ зависимостей на рисунке 15 показывает, что производительность и удельная мощность раздатчика-смесителя зависят от скорости подачи и имеют прямолинейный характер. Это говорит о том, что эти показатели находятся в прямо пропорциональной зависимости. Построенные по полученным формулам (6 и 16) зависимости хорошо согласуются с экспериментальными. При этом расхождение результатов измеренных и расчетных характеристик в пределах опыта не превышает 4,5-6%.

: 0.31 со; со; ом сю э ол о,С2 с:; с. и 9 к Рисунок 15 - Зависимости производительности Q и мощности N раздатчика-смесителя от скорости подающего транспортера ип о-о-о - фактическая; -------расчетная Q = f(u„)

В пятой главе «Производственная проверка, экономическая оценка результатов исследований и методика инженерного расчета параметров раздатчика-смесителя кормов» представлены результаты производственных испытаний, расчеты экономической эффективности внедрения раздатчика-смесителя кормов и методика расчета его параметров.

Для настройки раздатчика-смесителя кормов разработана номограмма (рисунок 16), позволяющая определить необходимые значения скорости подающего транспортера и вылет рабочей части сегмента в соответствии с заданной нормой выдачи или производительностью раздатчика-смесителя. При его настройке по данной номограмме отклонение производительности от заданных значений составляет 3-6%, что согласуется с зоотехническими требованиями.

О, ;•::>/.:

\ >1 2.6 1.С. 1.1 П/:. ; "" / ■ /

V | \ I ; 1 /

ч к -- —— 'Я- У 1

... 1 \ N 1 /•у / л

; 1 " 1 \ - \ 'Л

1 * I 1 }

«80Л1 0,017 0,01 оа «с о.® о.« <ю 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 О.

I / /1 1 /

И / .

/ / У

/ /

/ / /

:7х 1/ /

д. г.?/с

Рисунок 16 - Номограмма определения необходимых значений скорости подающего транспортера и вылета рабочей длины сегмента 1„ по заданной норме выдачи или производительности О раздатчика-смесителя:

I - 30% грубых кормов в смеси; 2 - 20% грубых кормов в смеси; 3 - 10% грубых кормов в

смеси

Приведены расчеты экономической эффективности использования предложенного раздатчика-смесителя. В качестве базы сравнения были приняты серийно выпускаемые кормораздатчики СРК-11В-8 «Хозяин» и РММ-Ф-6. Применение раздатчика-смесителя позволяет снизить затраты на приготовление 1 т корма с 3 782,8 до 2 823,1 руб. в сравнении с раздатчиком СРК-11В-8 «Хозяин». Годовой экономический эффект от применения одного раздатчика-смесителя по приведенным затратам составил 310 432,5 руб., срок окупаемости капитальный вложений - 2,4 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа технологий и технических средств по зарубежным и отечественным литературным источникам в области кормопроизводства совершенствована классификация раздатчиков-смесителей бункерного типа, позволяющая наметить перспективное направление в разработке технических средств, объединяющих в своей конструкции технологические процессы измельчения, смешивания и раздачи кормов. Разработана конструк-тивно-технояогическая схема раздатчика-смесителя кор1мов, техническая новизна которой подтверждена патентами на изобретение и полезную модель (№67815, №2331191).

2. Определены аналитические выражения (6), (16), которые позволили обосновать конструктивно-режимные параметры раздатчика-смесителя кормов: частота вращения шнека - со = 3,82-6,7 с*'; вылет сегментов на витке шне-кового рабочего органа 1п = 0,042-0,048 м; наружный диаметр навивки шнека Б = 0,48-0,57 м, производительность раздатчика-смесителя -0=16,7-17,9 кг/с.

3. Изготовлен макетный образец раздатчика-смесителя (рисунок 6) включающий в себя бункер, в передней части которого размещены измельчающий шнековый аппарат, состоящий из двух шнеков, и выгрузной транспортер. Шнеки с закрепленными по наружному периметру винтовых поверхностей ножами расположены таким образом, что винтовая поверхность одного шнека перекрывает межвитковое пространство другого шнека. Кормовые компоненты смеси подаются к шнековому аппарату посредством продольного транспортера.

4. На основе экспериментальных исследований с использованием теории планирования многофакторного эксперимента установлены основные факторы и уровни их варьирования: количество сегментов на одном витке шнека Zl = 10-12 шт.; скорость подающего транспортера и„= 0,013-0,019 м/с, шаг витка шнека Б = 0,26-0,30 м, влажность исходных компонентов смеси: грубых кормов XV = 15-20%, силоса \У = 72-77%.

При указанных значениях параметров неоднородность смеси, однородность гранулометрического состава и удельная мощность составляют соответственно 5 = 11,8%, I = 88,7%, ИуД = 4,89 кВтс/кг.

5. Разработана номограмма для определения необходимых значений скорости подающего транспортера по заданной норме выдачи или производительности раздатчика-смесителя и систематизирована методика расчета его основных параметров.

6. В результате производственной проверки раздатчика-смесителя в хозяйствах Ставропольского края (СПК «Выбор» и ЗАО «Влнсадское» Предгорного района) получены следующие показатели:

- производительность составила 17,4 кг/с при скорости вращения измельчающего шнекового аппарата 5,51 с'1;

- равномерность раздачи материала - 89% при скорости движения агрегата 1,7 км/ч;

- время раздачи корма - 0,5 ч, что соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к процессу кормления животных.

7. Реализация предлагаемой технологии посредством раздатчика-смесителя кормов позволяет снизить затраты энергии при приготовлении и раздаче кормов на 14,9 % и получить (по приведенным затратам) годовой экономический эффект от применения одного раздатчика в сумме 310 432,5 руб. в сравнении с раздатчиком СРК-11В-8 «Хозяин» и 79 875 руб. в сравнении с РММ-Ф-б; срок окупаемости капитальный вложений - 2,4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сысоев, Д.П. Обоснование конструктивной технологической схемы измельчителя-смесителя кормов / Д.П. Сысоев // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. - Ставрополь, 2006. - 4.2. - С. 130-131.

2. Сысоев, Д.П. Классификация раздатчиков-смесителей кормов / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Техника в сельском хозяйстве. - 2007. - № 1. -С. 49-50.

3. Пат. 67815 Российская федерация МКП6 А 01 Р 29/00, А 23 N 17/00, А 01 К 5/00, В 02 С 19/22 Измельчитель-смеситель кормов / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов, Н.Ю. Сарбатова - № 2006109670/11; заявл. 27. 03. 2006, опубл. 10. 11.2007. бюл. №31.

4. Пат. 2331191 Российская федерация МКП6 А01К 5/02 Раздатчик-смеситель кормов / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов - № 2006146715/12; заявл. 26. 12. 2006, опубл. 20. 08. 2008. бюл. №23.

5. Сысоев, Д.П. Малогабаритный раздатчик-смеситель кормов для малых ферм / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Эффективное животноводство. -2009. -№ 5. - С. 62.

6. Сысоев, Д.П. К вопросу приготовления и раздачи кормов на малых фермах / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Ресурсосберегающие технологии и установки : материалы науч. конф. фак. Механизации КубГАУ. - Краснодар, 2009.-С. 52-53.

7. Сысоев, Д.П. Экспериментальные аспекты оптимизации процесса приготовления кормов измельчителем-смесителем / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 10. -С. 16-18.

8. Сысоев, Д.П. К вопросу механизации процесса приготовления и раздачи кормов на малых фермах / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Эффективное животноводство. - 2009. - № 9. - С. 46.

9. Сысоев, Д.П. Совершенствование рабочего органа раздатчика кормов / Д.П. Сысоев, В.Ю. Фролов // Техника в сельском хозяйстве. - 2009. -№5.-С. 12-15.

Ю.Сысоев, Д.П. Механико-технологическое обоснование процесса приготовления кормовых смесей измельчителем-смесителем с рабочим органом шнекового типа / Д.П. Сысоев - Москва, 2010. Деп. в ЦИиТЭИагро-пром. - № 3 ВС.-9с.

Подписано в печать 31.03 .2010 г. Формат 60x84/{б ■ Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. - 1,4 Тираж 120 экз. Заказ 233.

Отпечатано в типографии Кубанского государственного аграрного университета. 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13.