автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение качества приготовления зерновой смеси многокомпонентным дозатором-смесителем

На правах рукописи

Чилингарян Нарек Овикович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗЕРНОВОЙ СМЕСИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫМ ДОЗАТОРОМ-СМЕСИТЕЛЕМ

Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Пенза - 2014

005554181

005554181

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА»)

Научный руководитель Фролов Николай Владимирович

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Мухин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК»

Чупшев Алексей Владимирович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Технический сервис машин»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная

сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина»

Защита состоится «19» декабря 2014 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и на сайте http://pgsha.penza.net/.

Автореферат разослан «23» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Важная роль в становлении современного сельского хозяйства России принадлежит крестьянским (фермерским) хозяйствам. По данным Росстата к 2013 году они произвели продукцию на 386,9 млрд. рублей, 1/4 часть которой приходится на долю животноводства.

С ростом количества фермерских хозяйств появилась потребность в маломощном оборудовании для механизации производственных процессов отрасли животноводства. Больше половины затрат в животноводстве приходится на корма, к тому же наибольший экономический эффект можно достичь кормлением сельскохозяйственных животных сбалансированными по питательным веществам кормами. Для производства этих кормов требуется специализированное оборудование - дозаторы, смесители, измельчители и т.д. Существует большое разнообразие устройств по производству зерновых смесей, однако они достаточно громоздки, качество приготавливаемых кормов зачастую не удовлетворяет зоотехническим требованиям, а из-за использования рабочих органов, выполненных в виде шнеков и лопастных мешалок, требуются большие энергетические затраты.

Степень разработанности темы. Решением проблем дозирования и смешивания компонентов зерновых смесей и вопросами создания дозирующих и смесительных агрегатов занимались многие отечественные и зарубежные ученые, которые отмечали преимущества объединения процессов дозирования и смешивания в одном устройстве. При этом для дозирования компонентов зерновой смеси используются несколько однокомпонентных дозаторов или один многокомпонентный. Однако до настоящего времени недостаточно исследованным является вопрос повышения равномерности дозирования и смешивания зерновых компонентов в многокомпонентных дозаторах-смесителях. В наибольшей степени этим требованиям отвечают тарельчатые дозаторы объемного типа и гравитационно-центробежные смесители, объединенные в один агрегат.

Поэтому создание многокомпонентного дозатора-смесителя, способного готовить зерновые смеси в непрерывном потоке с высокой равномерностью дозирования и смешивания, требует проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и вызвано потребностью сельскохозяйственных предприятий в таких дозаторах-смесителях.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА, тема № 12 «Совершенствование процессов дозирования и смешивания сыпучих компонентов кормов».

Цель исследований - повышение качества приготовления зерновой смеси многокомпонентным дозатором-смесителем.

Задачи исследований:

1. Разработать перспективную конструктивно-технологическую схему многокомпонентного дозатора-смесителя.

2. Аналитически выявить закономерности влияния конструктивных и режимных параметров многокомпонентного дозатора-смесителя на основные

технико-экономические показатели (производительность дозатора-смесителя и энергоемкость процесса приготовления зерносмеси) и показатели качества приготовления зерновой смеси (равномерность дозирования и равномерность смешивания).

3. Изготовить опытный образец многокомпонентного дозатора-смесителя и по результатам многофакторных экспериментов в лабораторных условиях определить его оптимальные конструктивные и режимные параметры.

4. Провести исследования предлагаемого дозатора-смесителя с оптимальными конструктивными и режимными параметрами в производственных условиях и определить экономическую эффективность его применения в условиях сельскохозяйственного предприятия.

Объект исследований - процесс приготовления зерновой смеси многокомпонентным дозатором-смесителем.

Предмет исследований — показатели качества приготовления зерновой смеси.

Научную новизну работы составляют:

- конструктивно-технологическая схема и конструкция многокомпонентного дозатора-смесителя;

- уточненные формулы по определению производительности многокомпонентного дозатора-смесителя и мощности на привод рабочих органов;

- оптимальные значения конструктивных и режимных параметров многокомпонентного дозатора-смесителя.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №2490601.

Практическая значимость результатов исследований. Использование многокомпонентного дозатора-смесителя в условиях сельскохозяйственного предприятия позволяет:

- готовить зерносмеси как из целых зерен, так и из дробленых компонентов;

- обеспечить равномерность дозирования и смешивания компонентов зерновой смеси на уровне зоотехнических требовании (соответственно 97 и 93%);

- повысить производительность разработанного дозатора-смесителя по сравнению с базовым вариантом на 36%.

Реализация результатов исследований. Опытный образец многокомпонентного дозатора-смесителя прошел эксплуатационную проверку в условиях сельскохозяйственного предприятия ООО «имени Антонова» Самарской области.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Конструктивно-технологическая схема и конструкция многокомпонентного дозатора-смесителя, сочетающая в себе функции тарельчатого дозатора объемного типа и гравитационно-центробежного смесителя.

2. Уточненные формулы по определению производительности дозатора-смесителя и мощности на привод рабочих органов.

3. Экспериментальные зависимости производительности, энергоемкости, равномерности дозирования и равномерности смешивания от конструктивных и режимных параметров многокомпонентного дозатора-смесителя.

4. Оптимальные конструктивные и режимные параметры дозатора-смесителя, обеспечивающие высокую равномерность дозирования компонентов и равномерность смешивания зерновой смеси при низких энергетических затратах.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена сравнительными исследованиями разработанного многокомпонентного дозатора-смесителя и базового дозатора-смесителя; сходимостью теоретических расчетов производительности дозатора-смесителя и энергоемкости приготовления зерновой смеси с результатами экспериментальных исследований; использованием методов математической статистики и теории многофакторного эксперимента; применением современных приборов и средств измерения, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.

Основные положения диссертации доложены на региональных, всероссийских и международных конференциях ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2011-2014 гг.), ФГБОУ ВПО Самарского ГАУ (2013 г.), ФГБОУ ВПО Саратовского ГАУ им. Н. И. Вавилова (2013 г.), ФГБОУ ВПО Башкирского ГАУ (2014 г.).

Технические решения и результаты исследований демонстрировались на региональных и всероссийских выставках «Молодежный форум ПФО ¡Волга-2013» (2013 г. Самарская область); «III Областная молодежная выставка Технопарк (2013 г. г.о. Новокуйбышевск); «XV Поволжская агропромышленная выставка» (2013 г., п.г.т. Усть-Кинельский); «VIII Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций» (2013 г., г. Саратов); «Молодежный форум ПФО ¡Волга-2014» (2014 г. Самарская область) «XVI Поволжская агропромышленная выставка» (2014 г., п.г.т. Усть-Кинельский). На XV Поволжской агропромышленной выставке автор был награжден золотой медалью в номинации «Лучший молодой ученый 2013». В ноябре 2013 года работа, выполненная в рамках научных исследований на получение гранта, стала победителем конкурсной программы «У.М.Н.И.К.» (участник молодежного научно-инновационного конкурса). В июне 2014 года на молодежном форуме ПФО ¡Волга-2014 работа была отмечена сертификатом третьей степени.

Публикации. По теме работы опубликовано 12 научных работ, из них 4 статьи опубликованы в рецензируемых изданиях, получены патент РФ на изобретение № 2490601 и патент РФ на полезную модель № 123940, без соавторов опубликованы 4 статьи. Общий объем публикаций составляет 2,84 пл., из них автору принадлежит 1,55 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 е., состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 118 наименований и приложений на 26 страницах, содержит 49 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» на основе литературного обзора уточнена классификация дозирующих устройств смесительных агрегатов. Дозирующие устройства предлагается подразделять по следующим основным признакам: принципу действия, структуре технологического процесса, количеству дозируемых компонентов, консистенции корма, конструктивным признакам.

Большой вклад в решении вопросов дозирования и смешивания в процессе приготовления кормовых смесей внесли ученые В. Р. Алешкин, Р. Л Зенков, П. М. Рощин, В. В. Красников, В. Г. Коба, М. Ю. Колобов, В. В. Коновалов, В. А. Мухин, В. И. Сыроватка и др. Однако вопрос многокомпонентного дозирования кормов остается недостаточно изученным.

На основании проведенного анализа конструкций устройств, применяемых для дозирования и смешивания зерновых смесей, было установлено, что наиболее перспективной является конструктивно-технологическая схема и конструкция многокомпонентного дозатора-смесителя, в дозирующей части которого рабочие органы - скребки не выходят за пределы бункера, что повышает равномерность дозирования при приготовлении смесей из сыпучих компонентов кормов, различающихся по физико-механическим свойствам, в частности, углу естественного откоса, а смешивание компонентов зерносмеси осуществляется гравитационно-центробежным способом.

На основании анализа научной и патентной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров дозатора-смесителя» приведено теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя.

Для приготовления смесей из сыпучих кормов бала разработана конструктивно-технологическая схема дозатора-смесителя (рис. 1), состоящая из многокомпонентного тарельчатого дозатора объемного типа и гравитационно-центробежного смесителя. Дозирующая часть состоит из бункера 11, разделенного на сектора с помощью одной неподвижной 4 и нескольких (количество зависит от рецептуры корма) подвижных 2 перегородок. Ниже бункера находится диск 6, который неподвижно закреплен к раме. Активными рабочими органами являются скребки 5, приводимые во вращательное движение мотор-редуктором 1, посредством приводного вала 3.

Ниже дозатора находится смесительная часть, состоящая из первой 7 и второй 9 воронки, между ними закреплен разбрасыватель 8 с независимым приводом. В горловине второй воронки находятся пластины для окончательного смешивания.

Скребок вращается вокруг общей для диска и бункера оси и перемещает взаимодействующий с ним корм из бункера на край диска, добавляя его к корму, уже находящемуся на этом краю в виде насыпи, расположенной под углом

естественного откоса. В результате на краю диска оказываются излишки корма, они ссыпаются с кромки диска на дуге (на рис. 1 дуга Рс), соответствующей форме и размерам скребка. Далее корм попадает на первую воронку, благодаря наличию окон, разделяется на два потока, один поток проходит через окна, второй — попадает на разбрасыватель, далее смесь объединяется в один поток и через горловину второй воронки идет на выгрузку.

Для определения конструктивных особенностей скребков рассмотрим взаимодействие дозируемого материала со скребком. Скребок АВ (рис. 2) расположен на секторе диска с углом /?с и не выходит за границы бункера. При движении скребка дозируемый корм выталкивается из-под бункера на край диска, добав-... ляется к находящемуся

^ \4" \м там корму, в результате

на дуге МЫ происходит ссыпание корма, причем ссыпание должно происходить равномерно по всей длине дуги МЫ.

Представив угол Рс в виде суммы одинаковых, достаточно малых углов А/], пронумеровали их, начиная счет от точки А. На рис. 2 обозначены точки 0,1,2,... пересечения

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема дозатора-смесителя: 1 - мотор-редуктор; 2 - подвижная перегородка; 3 - приводной вал; 4 - неподвижная перегородка; 5 - скребок; 6 - диск; 7 - первая воронка; 8 - разбрасыватель с независимым приводом; 9 - вторая воронка; 10 - пластины; 11 - бункер

Рисунок 2 - Дозатор. Сечение А-А.1 - диск; 2 - бункер; 3 - скребок; 4 - вал; 5 - перегородка

направляющей АВ скребка с соответствующими радиусами.

После поворота скребка на угол Afí точки скребка 1,2,... перемещаются относительно диска и занимают положение соответственно Г,2',.-.- В результате с дуги Al¡ диска ссыплется материал в объеме, равном объему фигуры 012'Г, а с дуги A¡2 - соответственно объему фигуры 123'2'.

Объем фигуры V равен площади, умноженной на соответствующую высоту скребка А. В общем случае высота зависит от радиуса, т.е. h=h(r).

В соответствии со схемой (рис. 2) для достаточно малых углов Д/? можно записать:

- для первой дуги диска

F, =К012Т=г,Л/?(г,-г0ЖгД (1)

- для (/+ 1)-ой дуги диска

Ум=гмАД(г1+1-П ЖгД (2)

До проектирования скребка задавались значениями величин г0 и ао, a радиус г\ вычисляли по формуле

г,=г0+г0А^а0. (3)

Приравняв правые части (1) и (2), получили квадратичное уравнение относительно неизвестной гм. Корень этого уравнения

(4)

'+I 2 у 4 h{r¡)

является формулой для определения координат точек направляющей скребка.

Для определения радиуса второй точки г2 в формуле (4) вместо п подставляли значение гi. Для определения третьей точки п в формулу (4) вместо r¡ подставляли значение г2 и т.д. Таким образом, находили значения радиусов г2, гз, ..., г„ и, тем самым, определяли координаты точек 0,1,2, .... Соединив полученные точки, получили шаблон, по которому изготавливали скребки.

Количество малых углов йр (в угле Рс) будет равно

рс=пАр. (5)

при условии

гп^гб,гп+1>гб, (6)

где гп— наибольший радиус скребка, м; гб - радиус бункера, м; r¡ — радиус /-ой точки скребка, м; п - количество малых углов, град.

В исследовании силовых факторов важное значение имеет направление движения подвижного объема материала. Для выяснения и уточнения направления движения рассмотрим схему действия сил на подвижный объем материала (рис. 3, а), имея в виду первое приближение, т. е. считая, что скребок имеет плоскую форму, и подвижный объем материала ABC рассматривается как одно целое.

Во время вращения скребка на объем ABC материала действуют следующие силы (рис.3, б): Ni, N2 - нормальные силы, действующие со стороны скребка и пограничной поверхности, соответственно, Н; F\, F2 — силы трения материала о скребок и о пограничную поверхность, соответственно, Н; F%

eMfv

[..............

\ wc' о

V v-íu у

а

ifc

Рисунок 3 - Действие сил, приложенных к подвижному объему материала

1*4 - силы трения материала о дно диска и о верхнюю неподвижную поверхность материала, соответственно, Н; - сила сопротивления перемещению материала на выходе из зоны действия скребка, Н; ^ - сила инерции, Н.

Криволинейный скребок разделили на к элементарных участков и представили каждый из них как отрезок прямой. Тогда необходимая нормальная сила, приложен-

ная к первому отрезку скребка, определится по выражению

(pgS,[H(fT +fe)~hfe] + pgh2ficr6fT /(2/.)) + Qco ,

cos а cosy

(1-Л/с) eos >- + (/„ +fc)smy Для остальных отрезков нормальная сила равна

(pgS,[H(fT +fe)-hfe]+ pgh2pcr6fT /(2/„))(! + Л ^n2y)

(7)

(8)

(1-ЛЛ)созх + (/в +/с)ьту где р - плотность корма, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; 5 - горизонтальная проекция подвижного объема материала, м2; Н - высота насыпи корма в бункере, м; /д - коэффициент трения материала о диск; /е - коэффициент внутреннего трения материала; И - высота скребка, м; /?с - центральный угол, в который заключен скребок, град; г6 - радиус бункера, м; у - угол отклонения пограничной поверхности от нормальной силы, град; Q - производительность, кг/с; со - угловая скорость вращения скребков, с"1; го - расстояние от оси вращения до начальной точки скребка, м.

Мощность, необходимую на привод рабочих органов (скребков) дозатора, определяли по известному выражению

рд=-

Vi>

(9)

где Мс — необходимый вращающий момент скребков, Н-м; сос - угловая скорость скребков, с"1; г/с - коэффициент полезного действия привода скребков.

Вращающий момент

Мг_ =

7V,-r, cos(a - <р)

= N,r,ctg(a - <р).

(10)

5ш(а - (р)

В результате было получено выражение для расчета суммарной мощности на привод скребков и диска разбрасывателя дозатора-смесителя

+ -

kpQdyp(Rl-rо2)

(И)

где кр - коэффициент, учитывающий свойства корма и рабочих органов смесителя; Qac - производительность дозатора-смесителя, кг/с; а>р - угловая скорость разбрасывателя, с'1; Rp - радиус диска разбрасывателя, м; го - радиус конуса разбрасывателя, м; цр - коэффициент полезного действия привода разбрасывателя.

Производительность дозатора-смесителя равна производительности тарельчатого дозатора, производительность дозатора должна быть меньше либо равна пропускной способности смесителя

е= q*< всЛ„ (12)

где Qd — производительность дозатора, кг/с; QCM - пропускная способность смесителя, кг/с.

Для определения производительности дозатора рассмотрим скребок в двух положениях - в положении АВ и после поворота на угол у—А'В' (рис. 4).

Поворот фигуры ABC вокруг оси является движением, то есть, сохраняет форму и размер фигуры. Поэтому Пл. ABC = Пл. А'В'С'. Фигура ЛВСВ'А' является суммой двух фигур: ABC и АСВ'А'. Заменив фигуру ABC на равную ей А'В'С', получили АСВ'С'А'.

Таким образом при определении производительности дозатора вместо фигуры АВСВ'А', можно оперировать фигурой АСВ'С'А', представляющей собой кольцевой сектор с центральным углом у.

При повороте скребка на один оборот у = 2л, объем корма, подверженный воздействию скребка, можно представить как объем тела, образованного вращением плоской фигуры площадью ^относительно оси, лежащей в плоскости фигуры и ее не пересекающей. Как известно, объем такой фигуры (теорема Гюльдена)

V = 2 mcS, (13)

где S — площадь плоской фигуры, м2; гс — расстояние от оси вращения скребков до центра тяжести фигуры, м.

При дозировании нескольких компонентов, размещенных в соответствующих секторах бункера с центральными углами !Pi, Ч'2,..., Ч\, кольцевой слой корма V можно представить в виде суммы слоев на секторах:

Рисунок 4 - К расчету производительности дозатора

V = + + (14)

где % - центральный угол, соответствующий сектору г-го компонента, рад; к - количество компонентов.

Перейдя от объемной производительности к массовой получим выражение

д = (15)

где / -заглубление скребков в бункер, м; п - частота вращения скребков, с"1; г - количество скребков, шт.; р, - плотность компонента корма, кг/м3.

Производительность многокомпонентного дозатора-смесителя можно представить

Я-Ц&. <■«>

1п

где - производительность дозатора на /-ом компоненте, кг/с.

Для образования зерносмеси заданного состава по количеству компонентов и долевому процентному составу каждого из них предварительно в бункере дозатора устанавливают радиальные перегородки, и закрепляют их в необходимым положении. Так как положение перегородок зависит не только от долей компонентов, но и от их плотностей, то процедура настройки неочевидна и необходим расчет.

Для настройки дозатора-смесителя на заданный состав зерносмеси составлена система уравнений с неизвестными У, и разработана программа решения этой системы, которая перед решением представляется в следующем виде

^ = с, + с,

- с2 + с2

( \ |—— 1 . + с, / Рк-1 -Оп-.+с, с \ 1—■-ч

V А ; 1 А 1А )

\ -1 г \ Рк-1 ъ

\Рг > < Рг ,

Рь.

кРг

(17)

П +ск

А. Рк

Рг_ Рк

1 №,+... + с,

/ \ Рк-1

— 1

А

¿-1

где с/ — доля /-го компонента в зерносмеси.

Систему (17) решали методом последовательных приближений (метод итераций). Для вычисления последовательных значений корней ЧК, в правую часть формул подставляли предыдущие значения (приближения). За нулевые приближения корней системы (17) принимали свободные члены (с, ).

В результате решения системы уравнений (17) определяли центральные углы секции бункера при приготовлении смеси из семян ячменя (25%), пшеницы (30%), овса (17%), кукурузы (15,5%), проса (12,5%).После подсчетов получили значения центральных углов секции бункера с учетом плотностей каждого из компонента: для ячменя - 94°, для пшеницы - 90°, для овса - 89°, для кукурузы - 49°, для проса - 38°.

В третьем разделе «Методика экспериментальных исследований дозатора-смесителя» изложена программа, методика экспериментальных исследований дозатора-смесителя и обработки полученных данных.

§ Программа экспериментальных исследо-

1 ваний дозатора-смесителя включала: уточнение физико-механических свойств используемых в

2 экспериментах зерновых компонентов; проведение экспериментальных исследований; сопо-

3 ставление результатов экспериментальных исследований с теоретическими.

Экспериментальные исследования вы-

-5- полняли в соответствии с требованиями

^ РД 10.19.2-90 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Методы испытаний» и СТО АИСТ 19.2-2008 «Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей».

Экспериментальные исследования дозатора-смесителя проводились при приготовлении кормов из зерновых культур, включаемых в рацион питания большинства сельскохозяйственных животных — ячмень, пшеница, овес,

Основным оценочным показателем (критерием оптимизации) качества приготовления зерновой смеси дозатором-смесителем является равномерность смешивания, в свою очередь, зависящая от равномерности дозирования. Также были исследованы зависимости производительности и энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя.

Производительность многокомпонентного дозатора-смесителя определяли взвешиванием отобранных проб на лабораторных весах и замером времени с помощью секундомера, потребляемую мощность измеряли комплектом К-505.При определении равномерности дозирования на заданном режиме работы отбирали подряд 30 проб с интервалом времени 1 с. Отбор проб осуществляли с транспортера. Отобранные пробы разделяли на две фракции: контрольный компонент (ячмень) и наполнитель (просо). Затем взвешивали пробы контрольного компонента. В результате статистической обработки полученных дискретных значений определяли коэффициент вариации Уа, оценивающая равномерность дозирования. Критерием равномерности смешивания компонентов зерно-

Рисунок 5 - Дозатор-смеситель: 1 — мотор-редуктор; 2 — бункер; 3 - манжета; 4 - скребок; 5 - диск; 6 — смесительная камера

вой смеси является коэффициент вариации vc„ контрольного компонента (ячменя) в 20 пробах по 100 г., отобранных с ленты транспортера через равные промежутки времени. Опыты проводили в трехкратной повторности.

При проведении лабораторных исследований использовали следующие приборы и оборудование: два частотных преобразователя Telemecanique ATV31H037M2 (ГОСТ 9444-74); весы лабораторные ВК-1500 (погрешность измерений ±0,05 г, ГОСТ 24104-2001); рулетка металлическая РТ-19 (погрешность измерений ±1 мм, ГОСТ 7502-80); штангенциркуль ЩЦ-2 (погрешность измерений ±0,1 мм, ГОСТ 166-80); секундомер (погрешность измерений ±1 с, ГОСТ 5072-79В).

Обработка полученных результатов проводилась на ЭВМ с помощью nporpaMMMicrosoft Office Excel 2007, MATLABR201 la, Mathcad 15.

В четвертом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» получены экспериментальные зависимости производительности дозатора-смесителя, энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси, равномерности дозирования и равномерности смешивания от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя.

Выявлено влияние на производительность дозатора-смесителя Q и энергоемкость процесса приготовления зерносмеси Е высоты скребков (А),частоты вращения скребков (и) и заглубления скребков в бункер (/). По полученным уравнениям регрессии (18) и (19) были построены поверхности отклика, характеризующие графические зависимости производительности Q и энергоемкости процесса приготовления зерносмеси Е от конструктивных и режимных параметров на примере одного зернового компонента - ячменя (рис.6, 7):

Q = 0,0359й - 2,7256« ± 0,0059/ + 0,1488/ш + 0,000525Л/ ± 0,0566и/-

- 0,00105/г2 - 1,872и2- 0,000215^ -0,6077; (18)

Е = 450,34 - 5,05h - 213,An - 3,521 + 0,0566/г2 + 170,56и2 + 0,0216s/2. (19)

"•«М^с' уж

Рисунок б - Зависимость производительности (О) от частоты вращения скребков (п) и заглубления скребков в бункер (1):1 - при высоте скребков 20 мм; 2 - при высоте скребков 30 мм; 3 - при высоте скребков 40 мм (зерновой компонент — ячмень)

3

3*1-,

2 4

1 1

£

14

13t3J 0.1 Л

Рисунок 7 - Зависимость энергоемкости (Е) от частоты вращения скребков (п) и заглубления скребков в бункер (I): I - при высоте скребков 20 мм; 2 - при высоте скребков 30 мм; 3 - при высоте скребков 40 мм (зерновой компонент -ячмень)

Анализ полученных графических зависимостей (рис. 6, 7) показывают, что производительность дозатора-смесителя возрастает с увеличением высоты скребков, заглубления скребков в бункер и частоты вращения скребков. При этом энергоемкость процесса приготовления зерновой смеси снижается.

На основе данных теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований были построены графические зависимости производительности дозатора-смесителя от конструктивных и режимных параметров для

всех используемых в экспери-..¡ . Т - ; : ментах кормов. Графические за-

висимости теоретической и экспериментальной производительности при высоте скребков 30 мм показаны на рис. 8.

Из анализа рис. 8 следует, что экспериментальные данные не полностью согласуются с теоретическими, а имеющиеся отклонения объясняются влиянием неучтенных факторов. В связи с этим в формулу производительности был введен поправочный коэффициент

.вэ

Рисунок 8 — Зависимость производительности (О) от частоты вращения скребков п и заглубления скребков в бункер (I) при работе

с ячменем: 1 - теоретическая производительность; 2 - экспериментальная производительность (зерновой компонент - ячмень)

к<2 ~

где Ад - коэффициент производительности; <2э - производительность экспериментальная, кг/с; <2т- производительность теоретическая, кг/с.

Для учета криволинейной зависимости приняли степенную зависимость, для идентификации которой требуется минимальное количество неизвестных параметров. Так, при фиксированном значении высоты скребков (И) можно записать

кв=еа>"+а>', (21)

где а\, а2 - соответственно числовые параметры, зависящие от частоты вращения скребков (п) и заглубления скребков в бункер (/).

Числовые параметры а\, а2 определяли методом наименьших квадратов. Тогда коэффициент производительности дозатора-смесителя при работе с ячменем будет равен

Ь _ --(0,1835/1+1,3912/)

Кд -е

С учетом поправочного коэффициента формула производительности приняла вид

е = (22)

где - коэффициент производительности на /-ом компоненте.

£

0:91 0.Э6

-0.86......

«■.5ц

V

Л

Ч Ч

0,1

У

0,35

Частота вращения скребков, с

0,6

Бьши получены зависимости равномерности дозирования \„ от частоты вращения скребков (я), зазора между скребком и манжетой (И3) и долей контрольного компонента(с):

\д= 0,90729 + 0,0712п + 0,385с + + 0,00878А3 - 0,256п2 - 0,6с2 - 0,0008056А32. (23)

Равномерность дозирования увеличивается при увеличении доли контрольного компонента (с), уменьшается при увеличении частоты вращения скребков (и) (рис.9). Анализ полученных данных показывает, что зазор между скребком и манжетой должен составлять 5-6 мм, а частота вращения скребков не более 30 с"1, при этом равномерность дозирования уд > 97%, что соответствует зоотребованиям, предъявляемым к концентрированным кормам.

Выявлено влияние на равномерность смешивания доли контрольного компонента (с) и производительности (0(рис.Ю):

= 0,8857 + 0,0770 + 0,0948с - 0,0408^ - 0,082с2. (24)

Анализ полученных данных свидетельствуют о том, что с повышением доли контрольного компонента равномерность смешивания улучшается, с увеличением производительности от 0,25 до 1 кг/с равномерность смешивания повышается, дальнейшее увеличение последнего негативно влияет на равномерность смешивания, при доли контрольного компонента 0,1 и производительности 1 кг/с равномерность смешивания усм=93%.

Таким образом, проведенные исследования позволили определить оптимальные

Рисунок 9 - Равномерность дозирования от частоты вращения скребков и зазора между скребком и манжетой при доле контрольного компонента 0,1

0,23 • 0.25 ■ 0 .24 • 0.7.? ;

0.2 ■ 0.18 ■ е.ю •

г)

'Ч

р-

I \

I !

I I

I I

I

§ & "?

о

< : ! I

I м

! «Э

8 # Р

р. # I'

/

■ 1.1

0 4 0.6 Ов ! 12 1.4 1.6 1-В Производительность, кг/с Рисунок 10 - Зависимость равномерности смешивания от производительности и доли контрольного компонента

значения конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя (частота вращения скребков п = 25с"1, высота скребков А = 30 мм, заглубление скребков в бункер / = 60 мм, зазор между скребком и манжетой И, = 5...6 мм), при этом равномерность дозирования составляет 97%, а равномерность смешивания - 93%.

В пятом разделе «Исследования дозатора-смесителя в производственных условиях. Экономическая оценка результатов исследований» приведены результаты исследований многокомпонентного дозатора-смесителя в производственных условиях. При исследовании дозатора-смесителя в производственных условиях ООО «имени Антонова» контролировались показатели: производительность дозатора-смесителя, энергоёмкость процесса приготовления зерновой смеси и равномерность смешивания компонентов зерновой смеси.

Исследования показали, что применение разработанного дозатора-смесителя в технологической линии приготовления зерносмеси, позволяет производить корма высокого качества, соответствующие зоотехническим требованиям (равномерность смешивания 94%), с низкими энергетическими затратами (энергоемкость процесса приготовления зерновой смеси — 0,18 кВт ч/т) и высокой производительностью (3,4 т/ч).

Расчет показателей экономической эффективности предлагаемого дозатора-смесителя показал экономическую целесообразность его применения в условиях сельскохозяйственного предприятия. При использовании дозатора-смесителя годовая экономия совокупных затрат составляет 9449 руб., годовая экономия затрат труда достигает 71 чел.-ч., а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений равен 2,07 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конструктивно-технологическая схема и конструкция малогабаритного многокомпонентного дозатора-смесителя (патент № 2490601), сочетающая в себе тарельчатый дозатор объемного типа и гравитационно-центробежный смеситель.

2. Аналитически выявлены закономерности влияния конструктивных и режимных параметров разработанного дозатора-смесителя, а также физико-механических свойств компонентов зерновой смеси на производительность и энергоемкость процесса приготовления зерновой смеси. Настройка многокомпонентного дозатора-смесителя на заданный состав компонентов зерносмеси осуществляется изменением центральных углов секций бункера перемещением подвижных перегородок.

3. Изготовлен экспериментальный образец многокомпонентного дозатора-смесителя. По результатам выполненных исследований в формулу производительности дозатора-смесителя введен поправочный коэффициент. Определены оптимальные значения конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя: минимально-допустимая доля компонента - 0,08...0,14 для различных компонентов зерновой смеси; частота вращения скребков - 0,25 с"'; высота скребков - 30 мм; заглубление скребков в бункер - 60 мм; зазор между скреб-

ком и манжетой - 5...6 мм. При данных параметрах достигается производительность дозатора-смесителя в пределах — 2...4 т/ч. Энергоемкость процесса приготовления зерновой смеси составляет 120...175 Дж/кг. Равномерность дозирования находится на уровне 97%, а равномерность смешивания - 93%, что соответствует зоотехническим требованиям.

4. Использование многокомпонентного дозатора-смесителя позволяет улучшить качество зерновой смеси за счет повышения равномерности смешивания компонентов (на 5%), увеличить производительность дозатора-смесителя на 36%, снизить удельную энергоемкость процесса приготовления зерновой смеси на 84% по сравнению с комбикормовой установкой КУ-2-2. Годовая экономия совокупных затрат составляет 9449 руб., затраты труда снижаются на 71,07 чел.-ч., а дополнительные капитальные вложения окупятся за 2,07 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях

1. Чилингарян, Н. О. Ступенчатое смешивание компонентов кормовой смеси / Н. О. Чилингарян, Н. Н. Мосина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - № 3. - 2012. - С.79-84.

2. Фролов, Н. В. Анализ параметров дозатора-смесителя непрерывного действия / Н. В. Фролов, Н. Н. Мосина, Н. О. Чилингарян // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - № 2. - 2013. - С.112-114.

3. Фролов, Н. В. Дозатор-смеситель сыпучих кормов / Н. В. Фролов, Н. О. Чилингарян // Сельский механизатор. - № 9. - 2013. - С.26-27.

4. Фролов, Н. В. Экспериментальные исследования дозатора-смесителя сыпучих кормов / Н. В. Фролов, Н. О. Чилингарян, Н. Н. Мосина // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - № 3. - 2014. -С. 137-142.

Патенты РФ

5. Патент № 123940 РФ. МКП С01Р 11/00. Дозатор-смеситель / Н. В. Фролов, Н. О. Чилингарян,- № 2012129752/28; Заяв. 13.07.2012; Опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.

6. Патент № 2490601 РФ. МКП С01Р 11/00. Дозатор-смеситель / Н. В.Фролов, Г. С. Мальцев, В. С. Мальцев, Н. Н. Мосина, Н. О. Чилингарян. -№ 2012100602/28; Заяв. 10.01.2012; Опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23.

Публикации в других изданиях

7. Чилингарян, Н. О. Загрузка компонентов корма в дозатор-смеситель / И.О. Чилингарян // Вклад молодых учёных в аграрную науку Самарской области: сборник научных трудов. - Самара: РИЦ СГСХА, 2012. - С. 213-216.

8. Чилингарян, Н. О. Классификация дозаторов-смесителей кормов / Н. О. Чилингарян // Вклад молодых ученых в аграрную науку: Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, магистрантов и студентов. - Самара: РИЦ СГСХА, 2013. - С.168-173.

9. Фролов, Н. В. Определение производительности дозатора-смесителя сыпучих кормов / Н. В. Фролов, Н. О. Чилингарян // Материалы международной научно-практической конференции в рамках XXIV Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2014». Часть II. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2014. — С.140-144.

10. Чилингарян, Н. О. Обоснование размеров скребков тарельчатого дозатора/ Н. О. Чилингарян // Вклад молодых учёных в аграрную науку: Сборник трудов Международной научно-практической конференции посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО Самарской ГСХА. - Самара : РИЦ СГСХА, 2014. -С. 111-114.

11. Чилингарян, Н. О. Определение энергоемкости дозатора-смесителя / Н. О. Чилингарян, А. Л. Мишанин // Вклад молодых учёных в аграрную науку: Сборник трудов Международной научно-практической конференции посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО Самарской ГСХА. - Самара: РИЦ СГСХА, 2014.-С. 114-118.

12. Чилингарян, Н. О. Определение минимально допустимой секции бункера многокомпонентного тарельчатого дозатора / Н. О. Чилингарян // Научные исследования молодых ученых - сельскому хозяйству России: труды Всероссийского совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. - С. 35-37.

Подписано в печать 17.10.2014г. Формат 60 х 84/16 Объем /п.л. Тираж 100 экз. Заказ № .346. Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74