Автореферат
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА
КОЗУПИЦЯ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ
УДК 631.3.02
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПОДРІБНЮВАЧА-ЖИВИЛЬНИКА-ДОЗАТОРА СИПКИХ ХІМІЧНИХ КОНСЕРВАНТІВ НА ЛІНІЇ ЗАГОТіВЛІ ВОЛОГИХ КОРМІВ
05.05.11 – машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового
ступеня кандидата технічних наук
Харків – 2007
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Сумському національному аграрному університеті
Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Михайлович Ярослав Миколайович, Національний аграрний університет.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук Шацький Віктор Васильович, заступник директора з наукової роботи інституту механізації тваринництва Української академії аграрних наук;
кандидат технічних наук Бойко Іван Григорович, професор кафедри механізації тваринництва Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка.
Захист відбудеться ”13вересня 2007 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 у Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.
Автореферат розісланий ”10” серпня 2007 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков
Д 64.832.01. д.т.н., професор
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Науковими дослідженнями і практикою доведено перевагу використання в технологіях заготівлі і зберігання високовологих кормів сипких хімічних консервантів перед рідкими. Використання таких консервантів при заготівлі вологих кормових матеріалів забезпечує зниження втрат останніх на 10 – 12 %. Крім максимального збереження закладеного корму не менш важливим є підвищення його поживності. Тому науковці і практики велику увагу приділяють азотомістким речовинам, зокрема вуглеамонійним солям – суміші карбонату і бікарбонату амонію та ін. Але більша частина сипких хімічних консервантів гігроскопічна і схильна до грудкування і злежування. Безпосереднє їх дозування існуючими нині пристроями не можливе. Отже, розробка комбінованого агрегату для внесення сипких хімічних консервантів у вологі корми при їх заготівлі є актуальним.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами. Дослідження, які складають основу дисертаційної роботи, безпосередньо пов'язані із застосуванням вуглеамонійних солей для консервування фуражного зерна підвищеної вологості і співпадають з НДР (постанова ДКНТ СРСР від 10.05.1983 за № 195, тема 1.502.703.4.85, розділ: „Вибір та обґрунтування засобів механізації для консервування вологого зерна" (ВНДІтваринмаш, м. Київ)).
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення якості кормів в процесі їх заготівлі та зберігання шляхом поліпшення рівномірності розподілу сипких хімічних консервантів в об’ємі корму.
Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання досліджень:–
теоретично проаналізувати закономірності процесів подрібнення і живлення злежаних хімічних консервантів, формування їх стабільного потоку та одночасного подрібнення кормів і змішування компонентів;–
визначити необхідні фізико-механічні властивості злежаних і сипких хімічних консервантів (вуглеамонійних солей);–
експериментально дослідити показники ефективності та якості процесу подрібнення, живлення і дозування сипких хімічних консервантів;–
обґрунтувати конструктивні і режимні параметри комбінованого агрегату подрібнювача-живильника-дозатора злежаних хімічних консервантів, при яких забезпечується виконання технологічного процесу;–
провести виробничу перевірку подрібнювача-живильника-дозатора в лінії заготівлі зернострижневої маси кукурудзи і дати його економічну оцінку.
Об'єкт дослідження: механізований технологічний процес консервування високовологої зернострижневої маси кукурудзи з використанням сипких хімічних консервантів, подрібнення, живлення і дозування та їх подачу в лінію приготування з одночасним подрібненням корму і змішуванням компонентів.
Предмет дослідження: обґрунтування параметрів подрібнювача-живильника-дозатора сипких консервантів в лінії заготівлі вологих кормів.
Методи дослідження: при вирішенні поставлених задач використано комплексний метод аналізу і синтезу теоретичних і експериментальних досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтуються на застосуванні законів теоретичної механіки, теорії механіки сипких середовищ та ґрунтів, методів системного аналізу процесів, технології одночасного подрібнення і змішування компонентів із застосуванням імовірнісних Марковських процесів і теорії графів та математичного моделювання. При проведенні експериментальних досліджень використано методи планування екстремальних досліджень, прикладного програмування, електричні методи вимірювання неелектричних величин, методи математичної статистики із застосуванням ПЕОМ та методи статистичного і регресійного аналізу експериментальних даних.
Наукова новизна одержаних результатів:–
встановлена закономірність впливу на стабільність норм видачі і дозування сипких хімічних консервантів за умови синхронізації продуктивності виконавчих механізмів в одному агрегаті: ступінь заповнення наддозувального бункеру; геометричні пропорції збуджувальних лопатей; форму та розміри вивантажувального отвору;–
розроблена математична залежність, яка пов'язує продуктивності живлення сипкого хімічного консерванту з конструктивними параметрами перфорованого диска живильника і дозволяє визначити діапазони регулювання подачі консерванту;–
на підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена математична модель процесу подрібнення високовологого кормового компоненту з одночасним змішуванням його із сипким хімічним консервантом в активній гідродинамічній зоні молоткової дробарки, що забезпечило рівномірність розподілу консервуючого компоненту по всьому об’єму корму відповідно до зоотехнічних вимог;–
набули подальшого розвитку математичні залежності для визначення потужності при подрібненні та дозуванні злежаних хімічних консервантів у комбінованому пристрої, в яких вперше враховано вплив змінних зусиль при різанні масиву злежаних хімічних консервантів; кути встановлення леза подрібнювача; вплив одночасної дії сил внутрішнього і зовнішнього тертя сипкого хімічного консерванту.
Практичне значення одержаних результатів:–
обґрунтовані раціональні параметри комбінованого агрегату для внесення сипких хімічних консервантів при заготівлі вологих кормів, які забезпечують зменшення втрат корму на 10 – 12 % і підвищують продуктивність тварин на 6 – 8 %;–
знижені енергетичні витрати на 18 % при впровадженні в технологію заготівлі зернострижневої маси кукурудзи молоткової дробарки в якості змішувача.
Запропонований комбінований агрегат для одночасного подрібнення, живлення та дозування сипких хімічних консервантів впроваджений на експериментальному заводі ВНДІтваринмаш.
Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані автором особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий: [1, 13] – проведено аналіз засобів механізації, які застосовуються в технологіях консервування кормів; [2] – обґрунтована технологічна схема процесу консервування фуражного зерна; [3] – запропоновано застосування перфорованого диска в конструкції подрібнювача-живильника-дозатора; [7] – проведені лабораторні дослідження фізико-механічних властивостей вуглеамонійних солей; [10] – розроблена математична модель процесу подрібнювання-змішування; [11] – розроблена методика багатофакторного експерименту; [12] – розроблена математична модель, яка дозволяє визначити витрати енергії на подрібнення, живлення та дозування злежаних консервантів. Експериментальні дослідження виконані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що містяться в дисертації, доповідались і одержали позитивну оцінку на міжнародній науково-практичній конференції „Механізація і автоматизація процесів у молочному скотарстві” (м. Львів, 1999 р.), науково-практичній конференції ХДТУСХ (м. Харків, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Аграрний форум-2006”, напрямок: „Техніка і технології XXI сторіччя” (м. Суми, 2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва” (м. Полтава, 2006 р.), а також на щорічних наукових конференціях СНАУ (1997 – 2005 рр.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 статтях фахових видань, з яких 4 опубліковані самостійно. Одержано авторське свідоцтво на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і пропозицій, списку використаних літературних джерел із 135 найменувань, з них 5 – іноземною мовою та 10 додатків. Основна частина роботи викладена на 172 сторінках машинописного тексту, містить 69 рисунків і 7 таблиць. Загальний обсяг дисертації становить 189 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета, об'єкт, предмет і методи досліджень, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі „Стан питання та задачі досліджень” виконано аналіз і проведена класифікація машинних технологій та різних типів обладнання для дозованої подачі сипких консервантів у вологу кормову масу при її заготівлі, а також огляд результатів наукових досліджень при дозуванні сипких матеріалів та методів підвищення якості виконання процесу.
Найвагоміший внесок у поглиблення теоретичних і експериментальних досліджень дозуючих пристроїв та їх складових внесли такі відомі вчені, як: П.М. Василенко, Ю.Д. Відінєєв, Л.М. Куцин, Є.Б. Карпін, Г.А. Рогінський, Є.М. Гутьяр, О.О. Омельченко, Р.Л. Зенков, Є.В. Дженіке, Л.В. Гячев, Р.Б. Гевко, В.В. Шацький, О.М. Карпенко, Р.М. Рогатинський, Я.А. Кузьмич, В.В. Ткач та інші.
Ефективність хімічного консервування високовологих матеріалів із використанням сипких хімічних консервантів залежить від точності дозування консерванту і рівномірності його розподілу в об’ємі корму. Більшість сипких хімічних консервантів гігроскопічні і схильні до швидкого грудкування (через 5 – 6 годин при температурі 25 ?С) і злежування, а існуючі дозатори не пристосовані для видачі точної дози грудкуватих і кускових матеріалів. Разом з цим грудкуваті і кускові консерванти не можуть рівномірно розподілитися в об’ємі, що призводить до негативних наслідків зниження якості і псування корму. В зв’язку з цим стримується впровадження в сільськогосподарське виробництво перспективної технології консервування високовологих кормових матеріалів. Використання окремих машин для подрібнення грудкуватих і кускових консервантів нераціональне через швидке наступне їх злежування, що призводить до вимушеного повторного подрібнення або неефективного використання додаткових для цієї операції машин. Аналіз раніше проведених теоретичних і експериментальних досліджень показує, що вони не враховують стадії підготовки до дозування злежаних хімічних консервантів.
Виходячи з цього, було обґрунтовано рішення про те, що з метою зменшення енерго– та трудозатрат і матеріаломісткості лінії для консервування високовологих кормів доцільно проводити операції подрібнення, живлення та дозування в одному агрегаті. На основі цього була розроблена експериментальна установка, конструктивно-технологічна схема якої приведена на рис. 1.
У другому розділі „Теоретичні дослідження процесів підготовки і дозування злежаних хімічних консервантів та їх змішування із зернострижневою масою кукурудзи” визначили будову комбінованого агрегату, з використанням теорії сипких середовищ, розроблені математичні моделі дозування сипких матеріалів на основі теорії графів та Марківських процесів, а також проведені теоретичні дослідження для обґрунтування одночасного подрібнення та змішування компонентів у молотковій дробарці.
Згідно обґрунтованої конструктивно-технологічної схеми (рис. 1) при роботі подрібнювача-живильника-дозатора відбуваються процеси подачі матеріалу, відокремлення часток від злежаних кусків (подрібнення) хімічного консерванту, їх сепарування та дозування з метою дозованої подачі в зернострижневу масу кукурудзи для подальшого змішування з нею в потоці.
Робота установки буде злагодженою у випадку досягнення потрібної точності дозування. Для цього необхідно виконати умову злагодженості (синхронізації) продуктивності її виконавчих механізмів. Математично ця умова запишеться так:
, (1)
де – подача матеріалу на подрібнення, кг/с; – продуктивність подрібнювача, кг/с; – продуктивність сепарації сипкого (подрібненого) консерванту через перфорований диск, що обертається, кг/с; – продуктивність дозатора, кг/с.
При цьому умова визначається гравітаційною подачею матеріалу, що підлягає подрібненню і обмежується поверхнею перфорованого диска, а товщина шарів, які відокремлюються ножовими скребками, є постійною. Продуктивність повинна бути рівною або дещо меншою від продуктивності з метою забезпечення надійності сепарування сипкого матеріалу по всій робочій поверхні перфорованого диска і виключення перевитрат енергії на проходження ножових скребків в уже подрібненому матеріалі. Продуктивність має бути рівною продуктивності . Це необхідно для підтримання рівня подрібненого консерванту вищим від висоти дозуючого вікна і лопатей конуса, що дає можливість позбавитися пульсацій виходу матеріалу через дозувальне вікно при дозуванні і забезпечити його необхідну точність.
Зробимо допущення про те, що оскільки подача матеріалу на подрібнення в вибраній конструкції подрібнювача-живильника-дозатора здійснюється гравітаційно і обмежена перфорованим диском, то її величина буде постійною. Перфорований диск здійснює рівномірний рух з визначеною кутовою швидкістю (частотою обертання) в процесі подрібнення і сепарування матеріалу.
Тоді продуктивність подрібнювача буде:
, (2)
де – площа поперечного перерізу, що відокремлюється ножовим скребком, м2; – довжина ножового скребка, м; – кутова швидкість перфорованого диска, 1/с; – кількість ножових скребків, шт.; – насипна щільність хімічного консерванту, кг/м3.
Приймаємо, що площа поперечного перерізу , що відокремлюється ножовим скребком, дорівнює площі вказаного скребка.
При визначенні продуктивності живлення (сепарації) сипкого (подрібненого) консерванту через перфорований диск, що обертається, виходили із розробленої просторової моделі (рис.2).
Із рис. 2. б видно, що при переміщенні вліво частина раніше напруженого матеріалу (ділянка 1) за допомогою ножових скребків підрізається і розташовується під шаром ще не зрізаного (подрібненого) шару, який деформується стовпом хімічного злежаного консерванту (ділянка 2). З правого боку залишається частина напруженого середовища (ділянка 3), з під якої вийшов елемент перемички диска. Рівновага сипкого хімічного консерванту порушується за рахунок зменшення загальної реакції стиснення тому, що ділянка 3 виключається із силового балансу. Це призводить до просідання матеріалу на деяку величину H, необхідну для відтворення рівнодії сил, котрі діють на диск. Останнє досягається спільною деформацією ділянок 1 та 2.
Скориставшись методами теорії механіки сипких середовищ, одержуємо математичний вираз для визначення продуктивності живлення дозатора (сепарування) у вигляді:
, (3)
де – насипна щільність сипкого консерванту, кг/м3; – внутрішній радіус верхньої ділянки циліндричної частини корпуса (наддозувального бункера) подрібнювача-живильника-дозатора,м; – коефіцієнт, який враховує фізико-механічні властивості сипкого хімічного консерванту; – кутова швидкість тарілки, 1/с; – модуль деформації сипкого хімічного консерванту, Н/м2; – динамічний коефіцієнт зовнішнього тертя хімічного консерванту по внутрішній стінці наддозувального бункера; – поточний рівень хімічного консерванту в наддозувальному бункері, м; – коефіцієнт бокового тиску; – відстань між отворами диску, м; – „живий” переріз; – площа всіх отворів, м2.
Ряд коефіцієнтів, які приведені в формулі (3), підлягають визначенню їх експериментальним шляхом. Скориставшись методами теорії ланцюгів Маркова, теорією графів та положенням про те, що при проходженні часток сипкого матеріалу через кромки вихідного отвору має місце зменшення об’єму матеріалу. Математичну залежність для визначення продуктивності дозатора запишемо у вигляді:
, (4)
де – частота обертання приводу подрібнювача-живильника-дозатора, хв-1; – діаметр часток матеріалу, м; – довжина вивантажувального вікна, м; – висота вікна, м; – частотність розмірів часток; – відповідно радіуси тарілки і основи конуса, м.
В загальному вигляді необхідна потужність для приводу подрібнювача-живильника-дозатора запишеться у вигляді:
, (5)
де – потужність, необхідна для приводу подрібнювача-живильника-дозатора, Вт; – відповідно потужність, необхідна для приводу подрібнювача сипких злежаних хімічних консервантів, привід живильника та на привід дозатора, Вт.
Скориставшись методами теоретичної механіки і теорією різця, одержуємо математичну залежність для визначення потужності, необхідної для приводу подрібнювача-живильника-дозатора:
(6)
де – кутова швидкість обертання робочих органів, 1/с; – межа напруги чистого зсуву, Н/м2; – товщина зрізуваного шару злежаного консерванту, м; – кут загострення леза, град.; – кут тертя консерванту по поверхні леза, град.; – кількість ножів, шт.; – довжина леза, м; – діаметр перфорованого диску, м; – коефіцієнт використання довжини леза; – висота стовпа подрібненого консерванту в надсепараторному бункері, м; – радіус перфорованого диску, м; – радіус валу приводу, м; , – відповідно зовнішній та внутрішній коефіцієнти тертя; – внутрішній діаметр циліндра, м; – висота стовпа консерванту в наддозувальному бункері, м.
В запропонованій схемі технологічної лінії підготовки зернострижневої маси (суміші) кукурудзи до консервування із застосуванням сипких хімічних консервантів в якості змішувача безперервної дії прийнято молоткову дробарку, в якій поєднані процеси змішування та подрібнення в одному технічному засобі.
Відомо, що при дослідженні процесу змішування дрібнодисперсних сипких матеріалів, а також цих матеріалів із високов’язкими рідинами, даний процес можна розглядати як випадковий Марковський процес, безперервний у часі та дискретний в просторі часток. Зважаючи на те, що зернострижнева суміш кукурудзи є високовологою (свого роду „кашею”), то це можна сприймати як змішування високов’язкої рідини із дрібнодисперсним сипким хімічним консервантом.
Оскільки молоткова дробарка працює в лінії у безперервному режимі, то завантаження робочого об’єму її подрібнюючої камери буде сталим, що забезпечується дозувальними пристроями качанів кукурудзи та сипкого хімічного консерванту. Скориставшись методами системного аналізу процесів подрібнення і змішування компонентів із застосуванням імовірнісних Марковських процесів в хімічному виробництві, розроблено математичну модель у вигляді:
, (7)
де – масова концентрація компоненту А (сипкого хімічного консерванту) в суміші, кг/кг; – математичне очікування концентрації компоненту А; – константа швидкості процесу змішування, 1/с; – параметр, який характеризує інтенсивність подрібнення,1/с; – дисперсія концентрації компоненту А.
За цим виразом швидкість вирівнювання концентрацій в дробарці пропорційна швидкості подрібнення компонентів і відхиленню від зрівноваженого стану. Швидкість подрібнення задається конструктивно-режимними параметрами підібраної дробарки. Для характеристики процесу змішування в активному робочому шарі дробарки нами запропоновано застосування моделі ідеального змішування тому, що за своїми параметрами до цієї моделі наближається робота рідинних змішувачів з інтенсивним перемішуванням і подачею невеликої кількості необхідного компоненту, який майже миттєво розподіляється по всьому об’єму () дробарки.
Для підтвердження такого припущення слід порівняти експериментальну залежність зміни концентрації вуглеамонійної солі в часі при імпульсному її вводі на вхід дробарки в кількості із теоретичною залежністю. За моделлю ідеального змішування ця залежність має вигляд:
, (8)
де – початкова концентрація, кг/м3; – відповідно поточний та середній час перебування індикатора (консерванту) в камері дробарки, с.
Середній час перебування
, (9)
де – об’ємна витрата зернострижневої суміші, м3/с.
У третьому розділі „Лабораторні експериментальні дослідження” викладено програму, методику та результати досліджень. Дослідження проводилися із використанням методів однофакторних та багатофакторних експериментів, прикладного програмування, електричних методів вимірювання неелектричних величин, методів математичної статистики із застосуванням ПЕОМ та методів статичного і регресійного аналізу експериментальних даних. Досліди проводилися на хімічних консервантах (вуглеамонійні солі), вологість яких становила 6 – 12 %, а при визначенні середнього питомого зусилля і середньої статистичної міцності – від 4 до 12 %.
Результати однофакторних експериментів визначені на основі загальноприйнятих методик. Основні фізико-механічні властивості подрібнених та злежаних хімічних консервантів, значення яких входять в теоретичні математичні вирази дисертації, і приведені в таблиці 1.
Таблиця 1.
Фізико-механічні властивості сипких та злежаних хімічних консервантів.
№ | Найменування показників | Одиниця виміру | Значення
1 | Насипна щільність | кг/м3 | 836 ± 24
2 | Фракційний гранулометричний склад:
середньозважена величина фракції
коефіцієнт варіації |
мм
% |
2,70
16,18
3 | Коефіцієнт зовнішнього динамічного тертя по сталі– | 0,60 ± 0,04
4 | Коефіцієнт внутрішнього тертя вуглеамонійних солей– | 0,78 ± 2
5 | Коефіцієнт бокового тиску:
фактичний
рекомендований до застосування–– |
0,3 – 0,8
0,56
6 | Середнє питоме зусилля різання злежаних кускових хімічних консервантів при зміні їх вологості від 4 до 12 %:
фактичне
рекомендоване до застосування |
кН/м |
25 175
175
7 | Статична міцність злежаних кускових хімічних консервантів при зміні їх вологості від 4 до 12 %:
середня
рекомендована до застосування |
кН/м2 |
856
56
Дослідженнями з визначення продуктивності () та енергоємності () процесу подрібнення і живлення в залежності від частоти обертання () перфорованого диска-живильника і висоти (а) вильоту леза ножового скребка над верхньою площиною перфорованого диска встановлено, що достатня висота вильоту леза становить 10 мм, кут його нахилу до площини перфорованого диска – 15?, достатня кількість ножових скребків – 3 шт., які встановлені на перфорованому диску через кожні 120?. При зміні обертів () перфорованого диска-живильника від 14,8 до 47,1 хв-1 продуктивність подрібнення-живлення змінюється від 280 до 1000 кг/год, а потрібна потужність на процес подрібнення – від 0,5 до 2,9 кВт/год.
Результати досліджень з визначення продуктивності і точності (рівномірності) дозування в залежності від конструктивного виконання пристрою для регулювання відкриття площі дозування вікна наведено на рис. 3.
Аналізом результатів досліджень встановлено, що найкращого результату було досягнуто із застосуванням пристрою у вигляді шиберної заслінки з циліндричною формою поверхні для дозувального вікна висотою 40 і довжиною 170 мм. При відкритті дозувального вікна на довжину від 12,5 до 170 мм продуктивність дозування змінюється від 240 до 1000 кг/год, а погрішність дозованого потоку (коефіцієнт варіації) не перевищує 3 – 5 %, що відповідає зоотехнічним вимогам на заготівлі зернострижневої маси кукурудзи в герметизовані сховища.
Після проведення багатофакторних експериментів, математичної обробки експериментальних даних, підстановки змінних факторів і функцій відгуку в рівняння регресії одержано математичні моделі у вигляді:
(10)
(11)
(12)
де – продуктивність подрібнювача-живильника-дозатора, кг/с; – рівномірність (коефіцієнт варіації); – питома потужність, яка необхідна на привод робочих органів подрібнювача-живильника-дозатора, Вт/кг
Перевіркою гіпотези про адекватність математичних моделей (10 – 12) другого порядку за критерієм Фішера встановлено, що гіпотезу результатів експериментів можна вважати вірною з 95 % -ною ймовірністю. Коефіцієнти множинної кореляції, що характеризують тісноту зв’язку між параметрами в рівняннях, досить високі і становлять: ; ; .
Для зручності інтерпретації отриманих моделей (10 – 12) скористалися графічними методами подання залежностей. Приклад графічної залежності продуктивності () подрібнювача-живильника-дозатора від частоти обертання () вала приводу наведено на рис. 4.
У зв’язку з необхідністю регулювання продуктивності видачі сипких хімічних консервантів у широких межах (в залежності від вологості зернострижневої маси кукурудзи) визначення раціональних конструктивних і режимних параметрів подрібнювача-живильника-дозатора подамо у вигляді графіка залежності продуктивності подрібнювача-живильника-дозатора від частоти обертання вала приводу.
Оскільки розмірність факторного простору залежить від числа факторів, а при багатьох факторах поверхню відгуку уже неможливо зобразити наочно, то було розглянуто попарний вплив факторів на критерії оцінки. Для прикладу на рис. 5 зображена просторова поверхня залежності продуктивності () від частоти обертання () вала приводу тарілки дозатора та об’єму () сипкого хімічного консерванту в бункері дозатора.
Враховуючи те, що за зображеною просторовою поверхнею відгуку визначити вплив двох змінних факторів на цільові функції досить складно, то користуючись методами картографії проведено перетин поверхні відгуку паралельними площинами. В даному випадку , (площина та ), а одержані в перетинах лінії спроектували на цю площину (рис. 6). Такі лінії називаються лініями рівного значення (в даному прикладі – лініями рівного значення показника продуктивність ).
На основі аналізу результату багатофакторного експерименту встановлено, що для забезпечення продуктивності дозування сипких хімічних консервантів подрібнювачем-живильником-дозатором в межах від 360 до 855 кг/год (в залежності від вологості зернострижневої маси кукурудзи) частота обертання () вала приводу тарілки дозатора і перфорованого диска живильника повинна варіювати в межах від 14,8 до 50 хв-1., а об’єм () сипкого хімічного консерванту в бункері дозатора – в межах від 0,038 до 0,110 м3, при цьому раціональними є площа лопаті дозатора м2 та зазор м.
Нерівномірність дозування потоку консерванту при визначених режимних і конструктивних параметрах подрібнювача-живильника-дозатора не перевищує 0,3 – 0,6 %, що відповідає зоотехнічному допуску, а потрібна питома потужність на привод робочих органів () становить 2,0 – 6,0 кВт год/т.
Внаслідок проведення оптимізації конструкції за параметром споживної потужності подрібнювача-живильника-дозатора на 1 тону поданого сипкого консервнту були встановлені такі основні характеристики комбінованого пристою: максимальна потужність дробарки зернострижневої суміші – 5 кг/с; діаметр, помножений на висоту комбінованого пристрою – 0,85х1,4 м; число обертів валу – 50 хв-1; споживана при цьому потужність – 3,2 кВт/т.
В четвертому розділі „Реалізація результатів досліджень та їх техніко-економічна оцінка за даними виробничих випробувань” викладені програма і методика виробничих випробувань, техніко-економічна оцінка результатів досліджень за даними виробничих випробувань та висновки по розділу.
Результати досліджень були реалізовані у виробничих умовах шляхом установки трьох дослідних зразків подрібнювача-живильника-дозатора у лініях заготівлі високовологої зернострижневої маси кукурудзи, виробничі випробування яких проводились у колгоспі „Росія” Глибоцького району Чернівецької області протягом 1987 – 1988 рр., СЗАТ „Вільшана” Недригайлівського району та агрофірм „Косівщина” Сумського району Сумської області протягом 2003 – 2004 рр.
Випробування проводилися на консервуванні зернострижневої маси кукурудзи сорту ЮБЦ – 183 воскової, початку повної стиглості. Модуль помолу на дробарці із пластинчастим решетом подрібнювача кормів „Блок – 700” становив 1,84 – 2,28 мм. Кількість часток розміру до 2 мм становила 54,6 %, від 2 до 3 мм – 26,3 %, від 3 до 4 мм – 15,1 %, більше 4 мм – 4,0 %. Вологість подрібненої зернострижневої маси кукурудзи становила від 50 до 40 %, а насипна щільність – 755 кг/м3.
Необхідна величина норми подачі подрібненого хімічного консерванту в подрібнену зернострижневу масу кукурудзи в залежності від її вологості, визначена разом із спеціалістами господарств та ветлабораторій, становила від 360 до 855 кг/год при продуктивності 5 кг/с.
Експериментальні залежності для визначення розподілу часу перебування консерванту в камері молоткової дробарки показали, незначні відхилення від теоретичного експоненціального закону для моделі ідеального змішування.
Експериментальні та теоретичні дані нерівномірності змішування сипких хімічних консервантів із вискоковологою подрібненою зернострижневою масою кукурудзи (концентрація хімічного консерванту в суміші) на виході із подрібнювача-змішувача і після транспортування до сховища приведені на рис.7.
Із графіка (рис. 7) видно, що збільшення величини подачі (при збільшенні вологості зернострижневої маси кукурудзи) нерівномірність змішування зменшується. При збільшені від 360 до 855 кг/год (у 2,4 разів) на виході із подрібнювача-змішувача нерівномірність зменшилася в 5,5 разів (0,6 – 1,2 %), а після транспортування у сховище – в 3,7 разів (0,5 – 1,2 %), що пояснюється додатковим змішуванням компонентів в процесі транспортування та розчинністю хімічного консерванту у високовологому середовищі. Аналіз показує, що різниця між експериментальними та теоретичними даними становить 0,5 – 1,25 % при виході суміші із подрібнювача-змішувача і 0,7 – 1,80 % після її транспортування в сховище.
За період випробувань у вказаних господарствах було законсервовано за допомогою експериментальних зразків подрібнювачів-живильників-дозаторів 3750 тон зернострижневої маси кукурудзи.
Порівняльні виробничі випробування технології заготівлі високовологої зернострижневої маси кукурудзи з використанням хімічних консервантів показали збільшення вмісту азоту в кормі у 1,4 – 1,5 разів, зменшення втрат корму на 10 – 12 % та підвищення продуктивності тварин на 6 – 8 %. З урахуванням балансової вартості подрібнювача-живильника-дозатора, приведених по цьому затрат і вартості консерванту економічний ефект становить 13,8 грн. на тону зернострижневої маси кукурудзи порівняно з таким кормом, заготовленим на таких же лініях, але без консерванту.
Під час виробничих випробувань відмов у роботі подрібнювачів-живильників-дозаторів не виявлено.
Використання експериментального подрібнювача-живильника-дозатора сипких хімічних консервантів на лінії заготівлі зернострижневої маси кукурудзи у порівнянні з традиційною технологією дозволяє зменшити втрати корму при його зберіганні на 10 – 12 %, збільшити вміст азоту в кормі в 1,4 – 1,5 разів, що забезпечує підвищення продуктивності тварин на 6 – 8 %. Річний економічний ефект від впровадження комбінованого агрегату становить 94,4 тис. грн.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нові підходи в обґрунтуванні параметрів технологічного процесу дозованого вводу сипких хімічних консервантів при заготівлі вологих кормів розробленим подрібнювачем-живильником-дозатором (ИДС – 1), що дозволило впровадити його у виробництво на НВО „ВНДІтваринмаш” (м. Київ).
1. На підставі аналізу існуючих способів дозування сипких матеріалів обґрунтовано раціональну технологічну схему комбінованого технічного пристрою, який забезпечує необхідну продуктивність та задану точність дозування.
2. Визначені на основі загальноприйнятих методик основні фізико-механічні властивості хімічних консервантів (вуглеамонійних солей), значення яких входять в теоретичні розрахунки дисертації, мають наступні середні величини: насипна щільність – 836 кг/м3; середньозважене значення діаметра подрібненого консерванту – 2,7 мм; коефіцієнт зовнішнього динамічного тертя по сталі – 0,6; коефіцієнт внутрішнього тертя – 0,78; коефіцієнт бокового тиску– 0,56; зусилля опору зсуву – 668 кН/м2; середнє питоме зусилля різання злежаного кускового консерванту – 175 кН/м, а його статична міцність – 56 кН/м2.
3. Результати проведених досліджень дали змогу обґрунтувати конструктивні параметри робочих органів комбінованого агрегату: внутрішній діаметр корпуса – 700 мм, діаметр перфорованого диска живильника – 694 мм; площа одного отвору диска живильника – 78,5 мм2; товщина диска – 4 мм; висота вильоту ножових скребків подрібнювача – 10 мм; кут нахилу ножового скребка до площини перфорованого диска живильника – 15?; кількість ножових скребків – 3 шт., що установленні на диску через кожні 120? ; діаметр дозувальної тарілки – 696 мм; висота зрізаного конуса дозатора – 220 мм; діаметр більшої основи цього конуса – 640 мм; а кут його твірної – 40?; об’єм наддозувального бункера – 0,4м3; кількість лопатей, закріплених на зрізаному конусі – 4, а їх висота – 12 мм; висота дозувального вікна 40 мм, а його довжина – 170 мм.
4. Отримані в результаті лабораторних досліджень рівняння регресії адекватно описують вплив конструктивних і режимних параметрів подрібнювача-живильника-дозатора на його продуктивність, нерівномірність видачі норми консерванту та енергоємність подрібнення, живлення і дозування на рівні довірчої ймовірності 0,95. За критеріями узгодження встановлено, що результати теоретичних та експериментальних залежностей з імовірністю 0,95 розподілені за однаковим законом.
5. Встановлено, що продуктивність дозування сипких (подрібнених) консервантів в залежності від вологості подрібнюваної зернострижневої маси кукурудзи змінюється в межах від 360 до 855 кг/год.
Експериментально встановлено, що для зміни продуктивності дозування сипких хімічних консервантів частота обертання вала приводу тарілки дозатора перфорованого диска живильника із ножовими скребками подрібнювача повинна бути в межах від 14,8 до 50,0 хв-1, що забезпечується встановленням електродвигуна постійного струму. Об’єм хімічного консерванту змінюється в межах від 0,032 до 0,110 м3, при цьому раціональною є площа лопаті 0,228 м2 та зазор між її торцевою площиною і внутрішньою стінкою бункера – 0,0146 м.
Нерівномірність дозування при вказаних раціональних параметрах не перевищує 0,3 – 0,6 %, а потрібна питома потужність на привід подрібнювача-живильника-дозатора знаходиться в межах від 2 до 6 кВт·год/т.
6. Експериментальною перевіркою встановлено можливість використання молоткової дробарки як змішувача, при цьому час перебування індикатора (вуглеамонійної солі) наближається до моделі змішування, рівномірність розподілу складає від 6,6 до 1,2 % при виході із дробарки і від 4,5 до 1,2 % – після транспортування корму в сховище.
7. Порівняльні випробування технології заготівлі високовологої зернострижневої маси кукурудзи показали, що економічний ефект на одну тону законсервованого корму з використанням хімічних консервантів (вуглеамонійних солей) становить 13,8 грн., при цьому втрати корму зменшились на 10 – 12 %, а продуктивність тварин підвищилась на 6 – 8 %.
8. В результаті виробничих випробування дослідних зразків подрібнювачів-живильників-дозаторів в лініях заготівлі зернострижневої маси кукурудзи підвищеної вологості в колгоспі „Росія" Глибоцького району Чернівецької області протягом 1987 – 1988 рр., СЗАТ „Вільшана" Недригайлівського району та агрофірмі „Косівщинська" Сумського району Сумської області протягом 2003 – 2004 рр., встановлено безвідмовність їх роботи на протязі всіх періодів випробувань з урахуванням нормативного річного завантаження (360 годин). Річний техніко-економічний ефект від застосування одного подрібнювача-живильника-дозатора становить 94292 грн станом на 2005 рік.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Пилипенко А.Н., Козупиця С.И. Применение способов механизации при консервировании фуражного зерна повышенной влажности. // Развитие производства аммонийно-карбонатных соединений и их использование в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. / Ред. кол. Г.А. Богданов, Г.И. Вилесов (отв. ред.) и др. – Киев: Наук. думка, 1986. – С. 74 – 78. (Соискателем приведен анализ патентных исследований по данному направлению).
2. Пилипенко А.Н., Козупиця С.И. Технологическая схема и оборудование для химического консервирования влажного зерна углеаммонийными солями. // Консервирование и обогащение азотом продуктов растениеводства аммонийно-карбонатными препаратами: Сб. начн. тр. / Ред. кол. Г.А. Богданов, Г.И.Вилесов (отв. ред.) и др. – Киев: Наук. думка, 1988. – С. 98 – 101. (Соискателем предложена технологическая схема компоновки линии химического консервирования фуражного зерна повышенной влажности).
3. Устройство для подготовки трудносыпучих консервантов к внесению в зернофураж: А.с. 1617695 СССР, МКИ А 23 К 3 /03/ С.И. Козупица, А.Н. Пилипенко, С.Н. Чибис, Н.С Захарова (СССР). – № 4400476/30-15; Заявл. 05.05.87; Опубл. 30.03.88, Бюл. №26. – 4 с (Соискателем предложена идея создания комбинированного агрегата).
4. Козупиця С.І. Визначення пропускної спроможності сипких хімічних консервантів через перфорований диск в процесі живлення дозатора. // Вісник СДАУ. – Вип.4. – Суми: СДАУ, 1999. – С. 80 85.
5. Козупиця С.І. Математичне обґрунтування процесу змішування при одночасному подрібненні в технології хімічного консервування зерностержнової суміші кукурудзи. // Вісник ЛДАУ. – Вип. №3 – Львів: ЛДАУ, 1999. – С. 159 162.
6. Козупиця С.І. Стохастична модель процесу дозування кормів. // Вісник СДАУ, Вип.4. – Суми: СДАУ, 1999. – С. 62 65.
7. Ревенко І.І., Козупиця С.І. Перспективність використання вуглеамонійних солей як консервантів кормів та їх властивостей // Вісник ХДТУСГ, Вип.8, том 2. – Харків: ХДТУСГ, 2001. – С. 41 43. (Здобувачем проведені експериментальні дослідження).
8. Козупиця С.І. Вуглеамонійні солі як перспективний хімічний консервант для кормовиробництва України. // Вісник СНАУ, Вип.8. – Суми: СНАУ, 2002. – С. 69 – 74.
9. Лінник М.К., Козупиця С.І. Змішування зернострижневої маси кукурудзи із сипким хімічним компонентом при одночасному їх подрібненні. // Вісник СНАУ, Вип.13. – Суми: СНАУ, 2005. – С. 5 – 12. (Здобувачем розроблена математична модель змішування зернострижневої маси кукурудзи із сипким хімічним компонентом при одночасному їх подрібненні).
10. Козупиця С.І., Саржанов О.А. Методика проведення багатофакторного експерименту при дослідженні процесу дозування сипкого хімічного консерванту. // Вісник СНАУ, Вип.13. – Суми: СНАУ, 2005. – С. 61 – 68. (Здобувачем розроблено алгоритм проведення багатофакторного експерименту при дослідженні процесу дозування сипкого хімічного консерванту).
11. Козупиця С.І. Михайлович Я.М. Визначення енерговитрат на привід подрібнювача-живильника-дозатора злежаних консервантів. // Мат. Міжнар. конф. ”Аграрний форум–2006”. – Суми: СНАУ, 2006. – С. 61 – 68. (Здобувачем розраховані показники енерговитрат подрібнювача-живильника-дозатора).
12. Козупиця С.І. Михайлович Я.М. Методи зменшення втрат зернострижневої маси кукурудзи при її заготівлі та зберіганні. // Мат. Міжнар. конф. „Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва”. – Полтава: ПДАА, 2006. – С. 5 – 6. (Здобувачем запропоновані шляхи зменшення втрат корму при його консервуванні на сучасному обладнанні).
АНОТАЦІЯ
Козупиця С.І. Обґрунтування параметрів подрібнювача-живильника-дозатора сипких хімічних консервантів на лінії заготівлі вологих кормів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 – Машини і засоби механізації сільського господарського виробництва.– Сумський національний аграрний університет, Суми, 2007.
Дисертація присвячена розробці ресурсозберігаючої технології заготівлі і зберігання зерно стрижневої маси кукурудзи з застосуванням сипких хімічних консервантів, що дає змогу зменшити втрати корму та підвищити його поживну цінність.
На підставі результатів аналізу роботи дозуючих пристроїв сипких матеріалів та перспективних технологій заготівлі вологих кормових матеріалів запропоновано обладнати серійне обладнання для заготівлі зернострижневої маси кукурудзи подрібнювачем-живильником-дозатором сипких хімічних консервантів.
Розроблені математичні моделі функціонування експериментального подрібнювача-живильника-дозатора з обґрунтуванням їх раціональних параметрів.
Визначені якісні показники роботи подрібнювача-живильника-дозатора сипких хімічних консервантів. Застосування подрібнювача-живильника-дозатора сипких хімічних консервантів на лінії заготівлі зерносрижневої маси кукурудзи дозволяє зменшити втрати корму на 10 – 12 %.
Ключові слова: сипкий консервант, зернострижнева маса кукурудзи, фізико-механічні властивості, подрібнення, дозування, змішування, ефективність.
АННОТАЦИЯ
Козупица С.И. Обоснование параметров измельчителя-питателя-дозатора сыпучих консервантов на линии заготовки влажных кормов. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Сумской национальный аграрный университет, Сумы, 2007.
Диссертация посвящена вопросу технологического процесса консервирования зерностержневой массы кукурузы путем создания измельчающего-дозирующего устройства слежавшихся консервантов, обеспечивающих повышения сохранности и увеличение питательной ценности заготавливаемого корма.
Анализ существующих способов технических средств для внесения трудносыпучих химических консервантов показал, что в настоящее время отсутствуют высокопроизводительные машины, обеспечивающие допустимую неравномерность подачи последних на всем диапазоне внесения. Анализ конструкций и технических решений устройств для внесения трудносыпучих химических консервантов позволил классифицировать их и определить, что наиболее перспективным является измельчитель-питатель-дозатор в виде устройства, которое объединяет в себе все исполнительные механизмы и обеспечивает при этом необходимую точность дозирования.
Объектом исследования является механизированный технологический процесс консервирования высоковлажной зерностержневой массы кукурузы с использованием трудносыпучих химконсервантов и связь этого процесса с конструктивно-кинематическими параметрами комбинированного агрегата.
Определены физико-механические показатели трудносыпучих химических консервантов (углеаммонийных солей): углы и коэффициенты внутреннего и внешнего трения, фракционный состав, коэффициент бокового давления, удельное усилие резания слежавшихся углеаммонийных солей, объемная масса.
Разработаны математические модели процессов измельчения и дозирования углеаммонийных солей. Найдены зависимости и величины, позволяющие определить затраты энергии выше указанных процессов. Разработаны аналитические зависимости, позволяющие объединить конструктивно-кинематические параметры измельчителя-смесителя с показателями качества смешивания. Разработанная на основе теории Марковских цепей модель дозирования углеамонийных солей, позволяет численно оценить вероятность пребывания процесса в поле зоотехнического допуска и определить при этом оптимальные параметры дозирующего устройства: частота вращения вала привода становит от 14,8 до 50,0 мин-1, объем химических консервантов – от 0,032 до 0,110 м3. Целесообразно использование электродвигателя постоянного тока, при этом
