Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние механизации и исследований процесса измельчения сочных кормов. цель и задачи исследований 10
1.1 Технологические особенности приготовления сочных кормов. Требования к машинам 10
1.2 Состояние механизации процесса измельчения сочных кормов 12
1.3 Классификация машин по измельчению сочных кормов 15
1.4 Состояние исследований по измельчению корнеплодов 24
1.5 Научная проблема и гипотеза исследований 44
2 Обоснование параметров измельчителя корнеплодов кормовой свёклы 46
2.1 Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы измельчителя 46
2.2 Обоснование технологической схемы измельчителя корнеплодов. Схема проведения исследований 47
2.3 Обоснование режущей кромки измельчающего ножа 52
2.4 Обоснование режущей кромки доизмельчающего ножа 56
2.5 Динамика процесса измельчения корнеплодов. Производительность и
потребляемая мощность 64
Выводы 71
3 Программа и методика экспериментальных исследований измельчителя корнеплодов кормовой свёклы 72
3.1 Программа и методика экспериментальных исследований измельчителя 72
3.2 Лабораторная установка и применяемое оборудование 75
3.3 Методика лабораторных исследований измельчителя
3.3.1 Определение физико-механических свойств корнеплодов 80
3.3.2 Определение производительности измельчителя 87
3.3.3 Определение усилия резания з
3.3.4 Определение энергоёмкости процесса 93
3.3.5 Обработка результатов исследования 93
3.4 Методика исследования измельчителя в производственных условиях 94
Выводы 95
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований измельчителя корнеплодов кормовой свёклы 96
4.1 Результаты определения физико-механических свойств кормов 96
4.2 Изучение влияния угла при вершине ножа на усилие резания 97
4.3 Влияние конструктивных и кинематических параметров на производительность устройства 100
4.4 Влияние конструктивных и кинематических параметров на степень измельчения 110
4.5 Влияние конструктивных и кинематических параметров на удельную энергоёмкость измельчения 114
4.6 Определение рациональных режимов работы измельчителя 118
Выводы 119
5 Исследования измельчителя корнеплодов кормовой свёклы в производственных условиях. экономическаяоценка результатов исследований 122
5.1 Результаты исследований в производственных условиях 122
5.2 Определение абсолютных экономических показателей и сравнительной эффективности оборудования 123
Выводы 128
Заключение 129
Список литературы
- Классификация машин по измельчению сочных кормов
- Обоснование технологической схемы измельчителя корнеплодов. Схема проведения исследований
- Методика лабораторных исследований измельчителя
- Влияние конструктивных и кинематических параметров на производительность устройства
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Анализ рационов кормления жвачных животных показывает, что одним из компонентов, постоянно присутствующим в рационе, являются сочные корма в виде корнеплодов, причём с ростом продуктивности животных долю корнеплодов в рационе увеличивают.
Применение корнеплодов в рационе животных обосновано рядом их положительных свойств. При благоприятных условиях корнеплоды дают в 2...3 раза больше выхода кормовых единиц с единицы площади в сравнении с зерновыми культурами, травами и кукурузой, выращиваемой на силос. Корнеплоды менее требовательны к изменению климатических условий, характеризуются высокой и устойчивой урожайностью, питательностью и хорошей поедаемостью животными, кроме того они содействуют лучшему усвоению животными других кормов.
Анализ традиционных технологий показывает, что затраты труда на возделывание корнеплодов составляют 23,8 %, на уборку – 41,3 % и подготовку к скармливанию 34,9 %.
Измельчение корнеплодов – одна из наиболее трудоёмких и энергоемких операций. Однако известные измельчители корнеклубнеплодов не позволяют получить в полной мере измельчённый материал необходимого качества и не отвечают современным требованиям по затратам на процесс измельчения и качеству получаемого продукта. Поэтому разработка и создание измельчителя корнеплодов с низкой энергоёмкостью процесса, новыми рабочими органами, способного обеспечить качество продукта измельчения, отвечающего зоотехническим требованиям, является актуальной научной и практически значимой задачей, имеющей важное значение для развития страны.
Степень разработанности темы. Проблемой измельчения корнеплодов занимались многие российские и зарубежные учёные. Исследователями данного направления предложены различные конструкции рабочих органов измельчителей корнеплодов, даны обоснования их параметров в конкретных производственных условиях. Однако вопрос измельчения корнеплодов шнековым рабочим органом остаётся до конца не исследованным. Кроме того, отсутствует всеобъемлющая классификация измельчителей корнеплодов, позволяющая систематизировать данные по многочисленным конструктивным решениям и выбрать наиболее оптимальное решение для конкретных условий производства.
Поэтому направлением данного исследования является систематизация данных по измельчителям корнеплодов, разработка наиболее полной их классификации, основываясь на которой предложено конструктивное исполнение измельчителя для небольших животноводческих предприятий.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Самарская ГСХА «Совершенствование процессов и разработка устройств для переработки сельскохозяйственной продукции растительного и животного происхождения» (РН АААА-А16-116110810006-7 от 08/11/2016 года.)
Цель исследований - снижение энергоёмкости измельчения кормовой свёклы с обоснованием параметров измельчителя.
Задачи исследований:
-
Разработать перспективную конструктивно-технологическую схему и конструкцию измельчителя корнеплодов кормовой свёклы, обеспечивающие снижение энергоемкости и степень измельчения, соответствующую зоотребованиям.
-
Аналитически определить уравнение кривой-образующей режущей кромки ножа, угол при вершине ножа, выявить закономерности влияния конструктивных и режимных параметров измельчителя на затрачиваемую мощность и производительность измельчителя.
-
Изготовить опытный образец измельчителя корнеплодов кормовой свёклы и экспериментально обосновать его рациональные конструктивные и кинематические параметры.
-
Провести исследования измельчителя корнеплодов кормовой свёклы в производственных условиях и оценить технико-экономическую эффективность применения результатов исследований на производстве.
Объект исследований - технологический процесс измельчения корнеплодов кормовой свёклы.
Предмет исследования - закономерности, условия и режимы измельчения корнеплодов кормовой свёклы.
Научную новизну работы составляют:
аналитические зависимости по определению формы рабочего органа измельчителя, производительности и мощности на привод рабочих органов;
рациональные значения конструктивных и режимных параметров измельчителя, комплексно влияющие на процесс измельчения корнеплодов кормовой свёклы, его производительность, силу резания и энергоёмкость процесса;
конструкция измельчителя корнеплодов кормовой свёклы.
Новизна технического решения подтверждена патентами РФ на полезную модель №142728, 157129, 167409.
Практическая значимость результатов исследований. Использование предлагаемого измельчителя корнеплодов в условиях с.-х. предприятия позволяет обеспечить производительность измельчителя корнеплодов 1341…2537 кг/ч и энергоемкость процесса измельчения 1,463… 3,79 кВтч/т при степени измельчений конечного продукта 10… 15 мм, уменьшить приведённые затраты на измельчение корнеплодов кормовой свёклы по сравнению с базовым измельчителем УИК-4.
Реализация результатов исследований. Опытный образец измельчителя прошел производственную проверку в условиях ИП «КФХ «Шавалиева Р. Ф.» Республики Башкортостан.
Методология и методы исследования. В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методы физики, теоретической механики, теории планирования эксперимента, математической статистики. Обработка результатов экспериментальных исследований, а также
графические работы осуществлялись при помощи прикладных компьютерных программ Microsoft Office Excel 2010, Statistica 10.0, Mathcad 14.
Испытания измельчителя корнеплодов проводились в лабораторных условиях на основе ОСТ 70.32.2-83. «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Программа и методы испытаний».
СТО АИСТ 19.2-2008 «Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей».
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
аналитические зависимости по определению формы рабочих органов (ножей) измельчителя, производительности и потребляемой мощности;
конструкция измельчителя корнеплодов кормовой свёклы;
функциональные зависимости производительности, степени измельчения, усилия резания и удельной энергоёмкости процесса от частоты вращения ножевого вала, степени открытия выходного отверстия и шага ножей измельчителя;
-регрессионные модели, характеризующие зависимость производительности, степени измельчения, усилия резания и удельной энергоёмкости от конструктивных и режимных параметров измельчителя корнеплодов кормовой свёклы, а также их оптимальные и рациональные значения.
Степень достоверности и апробация результатов исследований.
Степень достоверности результатов проведённых исследований подтверждена
сравнительными исследованиями разработанного измельчителя и базового
измельчителя УИК-4; сходимостью теоретических расчётов
производительности измельчителя с результатами экспериментальных исследований; использованием методов математической статистики и теории многофакторного эксперимента; применением современных приборов и средств измерения, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.
Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВО Самарская ГСХА (2013…2016 гг.), ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2013 г.), ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ (2015-2017гг.).
Личный вклад соискателя. Получены рациональные значения конструктивных и режимных параметров измельчителя. Проведены экспериментальные исследования измельчителя корнеплодов кормовой свеклы, направленные на проверку положений теоретических положений, их корректировку, а также на определение опытных зависимостей. Подготовка основных публикаций и формирование выводов. Проведены производственные испытания и дано технико-экономическое обоснование внедрения разработанной конструкции измельчителя кормовой свёклы. Разработана энергосберегающая конструкция измельчителя корнеплодов кормовой свеклы с изменяющимися параметрами шнека (патенты №167409, №142728). Дана
экономическая оценка эффективности применения разработанной конструкции измельчителя кормовой свёклы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях по перечню ВАК РФ, получены 3 патента РФ на полезную модель, без соавторов опубликована 1 статья. Общий объём публикаций составляет 2,91 п.л., из них автору принадлежит 1,09 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 с., состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка используемой литературы из 105 наименований и приложения на 22 с., содержит 73 рис. и 21 табл.
Классификация машин по измельчению сочных кормов
Измельчение корнеплодов выполняется на различных машинах, к которым относятся корнерезки, корнетёрки и различные измельчители, отличающиеся друг от друга устройством рабочих органов и степенью измельчения материала.
Первые корнерезки были оснащены вертикально-дисковыми измельчающими аппаратами со сплошными и совочкообразными ножами. Эти корнерезки имели небольшую производительность и имели ручной привод [48].
В начале XX века наряду с дисковыми корнерезками стали выпускаться барабанные, с цилиндрическими и коническими ножевыми барабанами, на которых по образующей барабана расположены ножи. Максимальная окружная скорость рабочих органов составляла 3 м/с. Производительность не превышала 0,5 т/ч. Измельчённая масса состояла в основном из пластин корней толщиной до 20 мм [48].
Основным направлением дальнейшего совершенствования измельчителей стало увеличение производительности (до 1,5 т/ч), количества ножей, повышение их окружной скорости (до 4,5 м/с) и создание условий для более продолжительного нахождения корнеклубнеплодов в зоне измельчения.
В двадцатые годы двадцатого столетия появились конструкции измельчителей с двумя ступенями измельчения, как параллельного действия, так и последовательного, с двумя наборами различных ножей, обеспечивающих крупное и мелкое измельчение. В некоторых машинах в качестве второй ступени использовались фрезерные барабаны [48].
Первые отечественные корнерезки появились в 1934 г. Завод имени Шевченко Т.Г. начал выпуск корнерезки с вертикальным дисковым рабочим органом, на котором были установлены гребёнчатые ножи, окружная скорость ножей составляла 1,2 м/с при производительности до 2 т/ч. В последующие годы выпускались корнерезки «ВИМЕ», №224, РКР-1,5; КРК-2,0. Все эти машины измельчали корнеплоды резанием, имели небольшую производительность и маломощный привод [48].
В конце пятидесятых годов в массовое производство поступила машина МРК-5,0, выполняющая операции мойки и измельчение корнеплодов. Особенностью МРК-5,0 явилось измельчение в ней корнеплодов неподвижно стоящими ножами, побудителем движения корней служит горизонтальный диск с трёхлопастным крылачом.
В дальнейшем широкое распространение получили штифтовые барабанные измельчители с регулируемой штифтовой декой ИКУ-4 и ИКС-5. При этом основным их недостатком было крайне неравномерное измельчение корнеплодов [48].
Жёсткое закрепление измельчающих органов приводило к частым поломкам машин. Дальнейшее развитие привело к появлению машин с шарнирным креплением рабочих органов. Сначала для измельчения корнеклубнеплодов стали использоваться универсальные молотковые дробилки кормов УДК-Т, ДКУ-М, КДУ-2, затем появились специализированные машины АПК-10, ИКС-5М с молотковыми барабанами. Рабочий процесс осуществлялся при окружной скорости молотков, достигавшей 60 м/с с удельным расходом энергии до 4 кВт-ч/т [3, 8, 48].
В последние годы в широкой практике использовались машины для приготовления корнеклубнеплодов на корм скоту с горизонтально-дисковым измельчающим механизмом «Бавария», «Крамер» (ФРГ), «Бис-микс» (Англия), «Лоу» (Франция), КПИ-4, ИКМ-5 (СССР) и др. [48].
Особенностью этих механизмов является расположение ножей на вращающемся горизонтальном диске или вертикальном валу. У некоторых конструкций машин ножи расположены в несколько рядов, имеют различную конфигурацию и размеры. Кроме ножей, на валу могут быть расположены выгрузные лопатки. Такое расположение измельчающих органов позволяет получить измельчённый продукт с частицами необходимых размеров. Степень измельчения регулируется удалением части ножей, замены их на другой комплект, установкой ножевых дек или гребёнок, изменением скорости ножей («Бавария», «Крамер», ИКМ-5), достигающей в отдельных моделях 55 м/с. Разновидностью описанных машин можно считать устройство, представляющее собой вертикальный цилиндрический перфорированный ротор со съёмной рабочей поверхностью, снабжённой совочкообразными ножами. Противорежущие лопатки неподвижны и находятся внутри ротора [48]. Получают развитие также машины с барабанными ножевыми механизмами «Бентал» (Англия), F-151 (Германия), ТРП-4 (Румыния) производительностью до 5 т/ч и удельными затратами энергии до 1,2 кВт ч/т.
В нашей стране, благодаря в том числе, исследованиям академика В.П. Горячкина, который установил, что скользящее резание наименее энергоёмко, но трудно осуществимо вследствие больших значений угла трения корнеплодов о грани металлического клина, наибольшее распространение получили машины, использующие способ измельчения резанием, по сравнению с разрушением материала ударом или смятием [1, 2, 11].
Для подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию применяются также универсальные двухступенчатые измельчители кормов, имеющие в первой ступени ножевой барабан, а во второй ступени ножевой механизм щелевого типа «Волгарь-5» или молотковый рабочий орган КДУ-2. Указанные машины измельчают корнеклубнеплоды с максимальным размером частиц до 5 мм и большими потерями сока (до 2,9 %). Их производительность достигает 7 т/ч при энергоёмкости до 4 кВт ч/т [20, 48].
Обоснование технологической схемы измельчителя корнеплодов. Схема проведения исследований
Таким образом, делает вывод автор, мощность, требуемая на измельчение корнеплодов, зависит от конструктивных параметров и режимов работы измельчителя, а также от свойств измельчаемого материала [2, 80].
Лазарев М.В. [33] исследуя измельчитель корнеклубнеплодов с вертикальным цилиндрическим ротором, оснащённым совочкообразными режущими элементами (рисунок 1.10).
Устройство работает следующим образом. Корнеклубнеплоды скатываются по наклонной поверхности конуса к вращающемуся ротору и подводятся им в зону защемления, где, оказавшись защемленными между поверхностями криволинейных прижимных пластин и рабочей поверхностью ротора, подвергаются воздействию совочкообразных ножей. Совочкообразные ножи срезают с измельчаемого материала стружки, которые отрабатываются центробежной силой инерции к внутренней поверхности корпуса, а затем удаляются выгрузными лопастями, закрепленными на внешней стороне ротора в выгрузную горловину. Предложенный измельчитель позволяет получить корм, степень измельчения которого можно регулировать за счет различных размеров совочкообразных ножей, кроме того удается избежать потерь клеточного сока, так как отделяемый слой корнеклубнеплодов проходит сквозь совочкообразные ножи с минимальными деформациями [33].
Аналитические исследования процесса работы измельчителя позволили автору определить основные показатели установки: Потребная мощность двигателя Nдв = 4аКка {{ІІ-г)со$\Клд7ГГ(тр + (М+ mс)(R-ф2sm\ -a)2[mR2(f1+f2cos2 Л)-Клтс(К-г)2со52&}/Зг/Ю3+a)2(0,5WR2 + (1.15) +M R2 + 0,5M"R2 + 0,5MшRш + 0,5Mвi?в2)/2A 103, где a - размер ножевого поля, м; Кк - конструктивный коэффициент использования рабочей поверхности ротора; со - угловая скорость ротора, с-1; R - радиус ротора, м; г- радиус совочкообразного ножа, м; 0 - угол заточки лезвия, град; Кл =COST - коэффициент трансформации режущей способности лезвия, зависящий от угла скольжения т (град); 8 - острота лезвия, м; 7 - нормальное разрушающее напряжение, Па; М - суммарная масса ротора и находящегося в нем измельчаемого корма, кг; m - масса корнеклубнеплода, кг; гпс - масса стружки, кг; f1 - коэффициент трения срезанного материала о нож; /2 - коэффициент трения корнеклубнеплода о противорежущую поверхность; Л - угол, град; М - масса обода ротора, кг; М" - масса основания ротора, кг; Мш - масса шкива, кг; Rш - радиус шкива, м; Мв - масса вала, кг; Rв - радиус вала, м т/ - коэффициент полезного действия машины; At - время разбега машины, с; W - пропускная способность измельчителя, т/ч. Пропускная способность измельчителя W = 216RhKиKкpScco, (1.16) где h - высота ротора, м; Ки - коэффициент использования рабочей поверхности ротора; р - плотность измельчаемого корма, кг/м3; дс - толщина стружки, м; Удельная энергоёмкость Эд=дв. (1.17) В результате оптимизации разработанного измельчителя автором были получены следующие оптимальные значения параметров, указанные в таблице 1.2 [33].
Параметры Рабочая поверхность, обеспечивающая приготовлениекорма для птиц свиней КРС 1. Скорость резания, м/с 11,155 10,041 8,930 2. Угол защемления, град. 21 21 21 3. Затрачиваемая мощность, кВт 3,17 3,475 2,992 4. Пропускная способность, кг/с 1,78 2,609 2,614 5. Удельная энергоёмкость, кВт ч/т 0,496 0,37 0,318 Лемаева М.Н. в своей работе [34] исследуя предложенную новую схему измельчителя корнеплодов ставила перед собой задачу повышения качества измельчения при минимальных затратах энергии и требуемой пропускной способности.
В результате был разработан и предложен измельчитель (рисунок 1.11) состоящий из бункера 1, выполненный в поперечном сечении спиралеобразной формы, а в продольном – в форме усечённого, сужающегося вниз конуса, с установленным в нём измельчающим барабаном 2 с окнами 3. Бункер установлен на опорах 7. На поверхности барабана 2 по винтовой линии расположены элементы 4. Барабан представляет собой вертикально расположенный полый цилиндр с открытым нижним основанием и жёстко закреплён на валу 5, который смонтирован в подшипниках 6 [34, 66].
В качестве режущих элементов выбраны ножи полукруглой формы, режущие кромки которых отогнуты на величину, равную требуемой толщине резки. Выбор данной формы автором обоснован исходя из того, что нож полукруглой формы вырезает стружку максимальной площади поперечного сечения при минимальной длине режущей кромки, что обеспечивает высокую производительность при минимальной энергоёмкости [34, 66].
В результате теоретических исследований предложенной схемы автором были получены зависимости для потребной мощности электродвигателя, производительности измельчителя, а также уравнение движения корнеплода по поверхности бункера. Рисунок 1.11 - Измельчитель корнеплодов: 1 - бункер; 2 - измельчающий барабан; 3 - окна; 4 - режущие элементы; 5 - вал; 6 - подшипники; 7 - опоры Потребная мощность Nдв, с учётом всех затрат [34] МрезюаКи +(J2CD2 /2At) Nдв= , (1.18) т/103 где Мрез - момент критической силы резания, Нм; со - коэффициент использования рабочей поверхности ротора; а = rtga - параметр измельчителя, м; Ки - конструктивный коэффициент использования рабочей поверхности барабана; J2 = Jбарабана + Jшкива + Jвала – момент ин ерции основного рабочего органа измельчителя, кг м2; At - время разбега основного рабочего органа измельчителя, с; 7] - коэффициент полезного действия. Производительность измельчителя (т/ч) предлагается определять по следующей формуле [34] Q = 47D2iySnyScKи, (1.19) где D - диаметр барабана, м; ц/ - коэффициент заполнения бункера, у/ = 0,6...0,7; S - шаг винтовой поверхности, S = (0,5...0,6)2), м; п - частота вращения барабана, мин-1; у - насыпная плотность измельчаемого материала, т/м3; 8С - коэффициент, учитывающий расчётную толщину стружки. В ходе лабораторных исследований предложенного измельчителя были получены уравнения регрессии для удельных затрат энергии q (кВтч/т) (рисунок 1.12) [34] q = 3,6665-0,4208v-0,0839а + 0,0298v2 -0,0032va + 0,0016а2, (1.20) где v - скорость резания, м/с; а - угол расположения режущих элементов на рабочей поверхности измельчающего барабана, град.
В результате оптимизации параметров измельчителя автором были получены следующие значения для параметров. При значениях угла наклона режущей кромки ножа в диапазоне 40…60 удельная работа резания снижается. Скорость резания корнеплодов 8,95 м/с, угол расположения режущих элементов на рабочей поверхности измельчающего барабана - 3517. Исследования в производственных условиях позволили определить сравнительные показатели: удельная энергоёмкость 0,308 кВтч/т, удельная металлоёмкость - 60 кгч/т, что соответственно в 3,25 раза и в 1,53 раза меньше по сравнению с измельчителем ИКМ-Ф-10 при производительности 2 т/ч [34, 39].
Методика лабораторных исследований измельчителя
Конструктивно-технологическая схема разработанного измельчителя корнеплодов представлена на рисунке 2.2 [28, 52, 54, 95]. Измельчитель корнеплодов (рисунок 2.2) содержит полый корпус 1 с загрузочной воронкой 2, подающий шнек 3 в виде серповидных ножей 4, выгрузное окно 7, перекрываемое фильерой 6. Фильера 6 выполнена в виде круглой сепарирующей пластины со сквозными отверстиями, различными по величине [52, 54, 95].
Измельчитель работает следующим образом. Корнеплод, поступая из бункера 2, на подающий шнек 3, где попадает под действие серповидных ножей 4, при движении к выгрузному окну более крупные части корнеплодов по периферии цилиндра доизмельчаются ножом 5 и выходят через сквозные отверстия фильеры 6. Степень измельчения регулируется фильерой с соответствующим сквозным сектором [52, 95].
Процесс отделения первой части корнеплода от основной можно представить следующим образом. В первый момент острие обоих ножей 4 «входят» в тело корнеплода на определённую глубину испытывая на себе действие сил, при этом каждое острие серповидного ножа 4 по-разному. Затем один из серповидных ножей 4 будет выполнять роль мгновенного центра вращения (точка опоры), а другой будет отжимать меньшую часть корнеплода от большой, одновременно вращая корнеплод вокруг упомянутого центра; в следующий момент этот же серповидный нож 4 продвинется в частично повернувшийся корнеплод и войдет ещё глубже до окончания процесса разрушения. В результате отделения части корнеплода от основной массы оставшаяся часть изменит свое положение относительно серповидного ножа 4 (в связи с вращением) и попадёт под действие следующих ножей 4 через полоборота и так до приобретения размеров сопоставимых с размерами канала шнека [52].
Далее материал выходит наружу через выгрузное окно 7 и дополнительно измельчается ножом 5, при этом степень измельчения регулируется фильерой 6 с соответствующим по величине сквозным сектором или количеством лопастей ножа 7 [52].
Разработанная структура экспериментальных исследований соответствует общепринятой методике проведения исследований по научной специальности и общей функциональной схеме технологического процесса измельчения корнеплодов. В силу ряда причин она представляет собой комбинацию и сочетание теории многофакторного планирования и проведения факторного анализа [19, 32]. Схема проведения экспериментальных исследований изображена на рисунке 2.3, а схема выполнения расчётов приведена на рисунке 2.4.
Проведённый обзорный анализ патентов, журнальных статей, авторефератов диссертаций и других источников, позволил обосновать конструктивную схему предлагаемого измельчителя, а также выявить основные предъявляемые технологические требования. Априорно установлен перечень показателей, влияющих на технологический процесс измельчителя.
В результате проводимых теоретических исследований уточняется перечень, уровни варьирования и интервалы изменения конструктивных факторов, а также перечень основных показателей рабочего процесса, предлагаемого измельчителя. Определялось влияние конструктивных и технологических параметров измельчителя на его на работу и показатели технологического процесса.
Осуществление поисковых опытов дало возможность установить зону проведения экспериментальных исследований для отыскания расположения оптимальных (рациональных) параметров измельчителя.
Для проведения исследований измельчителя разработана методика исследований, изготовлена лабораторная установка измельчителя, осуществляется поиск оптимальных значений конструктивно-кинематических и режимных параметров измельчителя, а на заключительном этапе устанавливается его техническая характеристика на основании исследований в производственных условиях.
Влияние конструктивных и кинематических параметров на производительность устройства
В проводимых экспериментальных исследованиях измельчителя требовалось уточнить значения физико-механических свойств корнеплодов, влияющих на качественные и технологические характеристики работы измельчителя, а также необходимые для дальнейших расчётов. Определение физико-механических свойств (влажность, гранулометрический состав (размеры частиц и их соотношение), плотность, коэффициент трения) кормовых материалов осуществлялось по типовым существующим методикам [12, 14, 22, 37, 81, 92].
Механические свойства кормов описывают коэффициенты внешнего и внутреннего трения, коэффициент бокового давления, угол естественного откоса, напряжения сопротивления сжатию, резанию или разрушению ударом и др.
В лабораторных условиях уточняли: размеры, плотность компонентов смеси и их вороха, угол естественного их откоса и коэффициент внутреннего трения, коэффициент трения по стали [22].
В лабораторных условиях плотность конеплодов кормовой свеклы определяли по общеизвестной методике.
Исследуемый корнеплод погружался в ёмкость, которая предварительно наполнена водой [34], при этом вытесняя объём воды равный своему объёму. Вытесненный объём воды замерялся с помощью мерной ёмкости (рисунок 3.12). Масса корнеплодов определялась с помощью весов (рисунок 3.13). Плотность материала расчитывался по известной формуле, кг/м3 P = mк VЖ (3.1) где mк – масса исследуемого корнеплода, кг; VЖ – объём вытесненной жидкости, м3. Рисунок 3.12 – Определение объёма корнеплодов
Определение массы корнеплодов Влажность – важнейшая характеристика корма, существенно влияющая на другие его свойства. Определение влажности кормовой свёклы проводили в соответствии с ГОСТ 27548-97 Корма растительные. Методы определения содержания влаги в следующей последовательности [12, 34].
Навеску анализируемой пробы массой 5 г, взвешивали на весах ВК-1500 (рисунок 3.14) с абсолютной погрешностью не более 0,001 г, затем помещали в чистую высушенную и тарированную бюксу, при помощи стеклянной палочки распределяли навеску продукта в бюксе ровным тонким слоем. Бюксу закрывали притёртой крышкой, взвешивали на лабораторных весах и высушивали в сушильном шкафу ШС-0,25-60 (рисунок 3.12) при 100…105 С до постоянной массы [14, 12].
Сушильный шкаф ШС-0,25-60 (рисунок 3.15) с естественной, регулируемой заслонкой, вентиляцией имеет очень простую конструкцию, предназначены для сушки и испытания различных материалов. Нагрев рабочей камеры обеспечивается электрическими нагревателями (ТЭН), размещёнными вокруг камеры нагрева. Сброс паров производится через вентиляционные трубки, расположенные в верхней части рабочей камеры [45]. Рисунок 3.15 – Сушильный шкаф ШС-0,25-60
Рабочая камера закрывается дверью, заполненной теплоизоляционным волокном. Силовое и регулирующее оборудование смонтировано в боковом приборном отсеке сушильного шкафа. Для управления нагревом имеется электронный регулятор температуры с задатчиком в виде лимба со шкалой, обеспечивающим быструю и точную настройку требуемого режима термообработки (точность задания ±5 С) [45]. Техническая характеристика сушильного шкафа ШС-0,25-60 приведена в таблице 3.3. Навески продуктов первые 2 ч сушат при температуре 60…80 С. Первое взвешивание проводят через 3 часа после начала сушки, последующие – через 30…40 мин. [14, 12].
Перед каждым взвешиванием бюксу с пробой закрывают крышкой и охлаждают 30 мин. Постоянная масса считается достигнутой, если разница между двумя взвешиваниями не превышает 0,001 г. Таблица 3.3 – Техническая характеристика сушильного шкафа ШС-0,25- Наименование Значение
Диапазон рабочих температур, С 50…250 Размер рабочего пространства (ШВД), мм 420375395 Объём камеры, л 60 Габаритные размеры (ШВД), мм 670580520 Питание переменным током, В (Гц) 220±22 (50±1) Потребляемая мощность, кВт 2,4 Масса, кг 65 Нагреватель - проволочная спираль (ТЭН) Х15Н60 Количество нагревателей, шт. 4 Массовую долю воды в пробе в процентах вычисляли по формуле [14, 12] w(m1-m2 100, (3.3) т1 -т где т - масса бюксы, г; ті - масса бюксы с навеской до высушивания, г; т2 - масса бюксы с навеской после высушивания, г. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 0,5 % [14, 12]. Вычисления проводили до первого десятичного знака.
При исследовании конечной влажности готового продукта при различных значениях конструктивных и режимных параметров использовали методику многофакторного планирования [42].
Определение коэффициента внутреннего и внешнего трения осуществлялось по методике и прибором согласно [37]. Его значение зависит как от гранулометрическихсвойств самого материала, его влажности, но и от свойств материала, с которым контактирует перемещаемый материал. Численные значения коэффициентов трения определяли по формуле [37] / = -, (3.2) где г - касательное напряжение, действующее в плоскости сдвига, Па; a - нормальное напряжение в плоскости сдвига, Па. Касательное и нормальное напряжения рассчитывали [37] T(Azu,a=m.(&±m, (з.з) S S где Pi - усилие, необходимое для сдвига рамки с материалом и грузом, Н; Р2 - усилие, необходимое для сдвига пустой рамки, Н; S - площадь поперечного сечения рамки, м2; Qi, Q2 – масса исследуемого материала и груза соответственно, кг.