ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНых ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДИСМЕМБРАТОРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ КОРМОВых

В результате моделирования установлено, что:

1. На внешней границе моделей давление достигает максимума. Имеются области с отрицательным давлением. Это связано с тем, что периодическое совмещение каналов статора с каналами вращающегося ротора приводит к пульсации потока жидкости. При совмещении каналов происходит нагнетание давления, затем, когда канал статора открывается, жидкость из областей с высоким давлением устремляется в области с более низким давлением, что приводит к разрывам в потоке. Таким образом, наилучшей характеристикой давления внутри потока жидкости обладает ротор №3.

2. При вращении роторов наблюдается изменение температуры потока жидкости. В целом, разница температуры составляет порядка 0,2 градуса. Важной характеристикой является не только абсолютная разница между максимальной и минимальной температурой, но и объем потока, подверженный нагреву. Так, у ротора №1 четко выделяются три области с перепадами температур, в то время как у роторов №2 и №3 таких областей значительно больше, наилучшей характеристикой перепада температур внутри потока жидкости обладает ротор №3.

При отслеживании траектории пути частиц (ротор №3) с нулевой массой через область с жидкостью и скорости, которую развивают данные частицы при движении по треку, наблюдаются вихревые структуры и турбулизация потока. Поток имеет развитую турбулентность. Это происходит из-за того, что скорость потока жидкости в каналах статора велика и имеет флуктуации.

По результатам проведенного анализа результатов виртуальных экспериментов с тремя различными конструкциями роторов можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным является ротор №3. При данной конструкции наблюдаются наилучшие характеристики давления внутри потока, наибольшее количество областей с перепадом температур и наименьший массовый расход.

В третьей главе – «Оборудование и методики проведения экспериментальных исследований» описаны оборудование и методики проведения экспериментальных исследований.

Разработана методика проведения исследований по разрушению зернового материала, позволяющая определять силу разрушения единичных зерен при:

– различной степени влажности измельчаемого материала;

– разной величине зазора между измельчаемыми органами;

– различных углах заточки измельчаемых органов;

– различной скорости вращения рабочих органов.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд центробежно-роторного типа рисунок 3:

Рисунок 3 – Общий вид экспериментального стенда

Стенд позволяет определять силы разрушения зернового материала при скоростях вращения рабочего органа от 0,5 м/с до 50 м/с, в зависимости от формы рабочего органа, влажности испытуемого материала и его вида.

Для исследования влияния конструктивных параметров рабочих органов дисмембраторов на качество получаемой смеси разработан экспериментальный стенд (рисунок 4, б). На рисунке 4,а представлена конструктивная схема устройства, которое состоит из бака для смешивания – 1, крышки – 2, корпуса дисмембратора – 3, статора – 4, ротора – 5, рамы –6, вала–7, муфты – 8, электродвигателя – 9, пульта управления –10.

Стенд работает следующим образом. Зерновая смесь из бака 1 попадает через впускной патрубок на вращающийся роторный диск 5. Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения роторного диска 5, перемешиваемая масса устремляется к его периферии через сквозные сечения между зубчатыми элементами, расположенными по концентрическим окружностям дисков ротора 5 и статора 4. При этом зубчатые элементы перемешивают и измельчают зерно. Достигнув периферии дисков, смесь компонентов удаляется из аппарата через выпускной патрубок.

а)

б)

Рисунок 4 – Стенд для исследования конструктивных параметров дисмембратора

Конструкция стенда позволяет быстро производить замену специально изготовленных комплектов измельчающих органов, изменять зазор между режущими элементами, а так же диаметр входного сечения камеры измельчения дисмембратора.

Разработана методика проведения анализа гранулометрического состава смеси, позволяющая проводить исследования, в ходе которых определять степень однородности кормовой смеси, размер частиц, а так же их процентное содержание в пробе. Полученная информация обрабатывалась с помощью программы «Видео ТЕСТ - Структура 5.2», которая предназначена для проведения преобразований и измерений на цифровых изображениях микро- и макрообъектов, слайдов, негативов и фотоснимков. Выбранная последовательность обработки изображения легко записывается в виде методики, которая позволяет облегчить проведение анализов.

В четвертой главе – «Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения зернового материала, влияния конструктивных параметров на эффективность приготовления кормов» представлены экспериментальные исследования процесса разрушения зернового материала и влияния конструктивных параметров на качество приготовления кормов.

В качестве исходных образцов использовались пшеница, ячмень, овес и горох. В процессе эксперимента варьировались зазор между режущим элементом и противорежущим резцом, влажность зернового материала, угол заточки режущего элемента и противорежущего резца, скорость вращения режущего элемента.

Влияние влажности зернового материала на силу разрушения представлены на рисунке 5:

Рисунок 5 – Зависимость силы от влажности при разрушении единичных зерен на режущем элементе с углом заточки 90 и скорости резания 31,3 м/с

Анализ полученных зависимостей показал, что сила резания значительно снижается при предварительном увлажнении измельчаемого материала до влажности 35-40%.

Зазор между режущими элементами так же оказывает влияние на силу, необходимую для измельчения зернового материала рисунок 6:

Рисунок 6 – Зависимость силы от зазора при разрушении единичных зерен различных культур на режущем элементе с углом заточки 90 и скорости резания 31,3 м/с

Зависимости, представленные на рисунках, действительно показывают, что зазор между режущими элементами оказывает существенное влияние на силу, возникающую при измельчении зернового материала. Так из данных зависимостей можно сделать вывод о том, что оптимальный зазор между режущими элементами равен 0,2 мм, так как при нем наблюдается наименьшее значение силы, необходимое для разрушения зернового материала. При увеличении зазора до 0,6 мм сила, необходимая для разрушения, заметно возрастает, что приводит к увеличению нагрузки на рабочие органы и как следствие к их быстрому износу.

В режущей паре при измельчении различных растительных материалов важнейшим объектом исследования является угол заточки режущего элемента и противорежущего резца, рисунок 7:

Рисунок 7 – Зависимости силы от угла заточки режущего элемента при разрушении единичных зерен различных культур и скорости резания 31,3 м/с

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что уменьшение угла заточки режущего элемента приводит к уменьшению силы резания зернового материала. Приемлемым углом заточки ножа является угол 75, что позволяет увеличить износостойкость режущего органа и как следствие уменьшить силу резания с максимальных значений до средних. Так же была выявлена закономерность: с увеличением влажности уменьшается сила резания.

По результатам регрессионного анализа получены уравнения регрессии разрушения зернового материала, при разных режимах резания представленные в таблице 1:

Таблица 1 – Уравнения регрессии разрушения зернового материала при разных режимах резания

Таким образом, по результатам исследований определено усилие резания при различной влажности измельчаемого материала, выявлен оптимальный зазор между рабочими органами, найден оптимальный угол заточки.

Исследования конструктивных параметров дисмембратора позволили выявить степень нагрева смеси, потребляемую мощность, а так же гранулометрический состав полученных образцов рисунки 8 – 10:

Рисунок 8 – Изменение потребляемой мощности во время приготовления

При повышении рабочего зазора между ротором и статором с 0,3 до 0,6 мм степень нагрева практически одинакова.

Рисунок 9 – Влияние зазора на температуру разогрева смеси

Таким образом, при зазоре =0,1 мм установка работает неустойчиво, наблюдается перегрузка электродвигателя, при зазоре =0,2 мм нагрев протекает более интенсивно (на 2,5-3 градуса в минуту) чем при 4-х остальных.

Изменение температуры от времени протекания процесса показывает, что изменение температуры пропорционально проходному сечению впускного канала, рисунок 10:

Рисунок 10 – Влияние проходного сечения впускного канала на температуру разогрева смеси

Потребляемая мощность также возрастает с увеличением впускного канала. Это связано с тем, что нагрев зависит от объема жидкости, проходящей через дисмембратор, который лимитируется впускным каналом. При диаметре впускного канала d=25мм отмечена нагрузка, не превышающая номинальную мощность электродвигателя.

Результаты анализа гранулометрического состава представлены на рисунке 11:

Ротор 1	Ротор 2	Ротор 3

Рисунок 11 – Результаты гранулометрического анализа

По полученным результатам построены гистограммы распределения частиц по классам, показывающие, что проба №3 (ротор №3) является наиболее благоприятной для усвоения организмом животных ввиду оптимального для переваривания размера частиц.

В пятой главе – «Разработка промышленного образца дисмембратора, испытания в условиях крестьянско-фермерского хозяйства. Экономический эффект от внедрения» с учетом проведенных исследований изготовлен промышленный образец дисмембратора для приготовления жидких кормов с вертикальным расположением оси вращения измельчающего органа (рисунок 12). Опытный образец дисмембратора, технология приготовления смесей были переданы в крестьянско-фермерское хозяйство Васильцова В.А. (с. Малые Бутырки Мамонтовского района Алтайского края), насчитывающее поголовье в 250 голов, для выявления скрытых недостатков и проверки эффективности приготовления жидких кормов. Эффективность приготовленных жидких кормовых смесей на переданной установке определялась при откорме 13 голов свиней по среднесуточному привесу.

Рисунок 12 – Промышленный образец дисмембратора

В ходе испытаний выявлено: зоотехнические показатели корма, приготовленного на предлагаемой модели дисмембратора, выше, чем у корма, приготовленного по классической технологии с применением запарника. Дисмембратор надежно выполняет технологический процесс и пригоден для приготовления высококачественного корма; технический уровень выше, себестоимость меньше; обеспечивает заданное качество измельчения зернового материала.

Из сравнительной экономической оценки видно, что разработанная кормоприготовительная машина экономически более выгодна по сравнению с серийно выпускаемой машиной для приготовления кормов КИП – 0.6. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения дисмембратора составил 60773 руб в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На усвояемость корма животными большое влияние оказывает его гранулометрический состав. В свою очередь машины, применяемые для получения кормовых смесей, не могут обеспечить в полной мере требуемый размер частиц и имеют ряд существенных недостатков, такие как низкая производительность, длительный цикл приготовления, высокая металлоемкость конструкций, наличие дополнительных нагревательных элементов. Все это делает процесс приготовления весьма сложным и трудоемким.

2. Проведено моделирование вращения ротора, которое показало, что в момент совмещения каналов ротора и статора наблюдается:

– увеличение давления в проходных каналах;

– резкое падение скорости потока практически до нулевого уровня при закрытии проходных каналов;

– резкое увеличение скорости потока при открытии проходных каналов;

– повышение температуры жидкости при закрытии проходных каналов;

– понижение температуры жидкости при открытии проходных каналов;

– образование кольцевых вихрей, поведение которых определяется только размером и скоростью вихря.

При анализе результатов виртуальных экспериментов с тремя различными конструкциями роторов выявлена наиболее эффективная конструкция ротора (ротор № 3). При данной конструкции наблюдаются наилучшие характеристики давления внутри потока, наибольшее количество областей с перепадом температур и наименьший массовый расход.

3. Обоснована конструктивная схема центробежно-роторного дисмембратора, которая обеспечивает снижение удельной энергоемкости процесса приготовления жидких кормовых смесей за счет проведения 3 операций (измельчения, запаривания, смешивания) одновременно и в одном кормоприготовительном агрегате.

4. Проведены исследования по определению силы разрушения зернового материала при скоростях вращения рабочего органа от 0,5 м/с до 50 м/с в зависимости от формы рабочего органа, влажности испытуемого материала и его вида. Установлено, что:

– сила резания значительно снижается при увеличении влажности измельчаемого материала до 35 - 40%;

– увеличение зазора свыше 0,6 мм между режущим элементом и противорежущим резцом не гарантирует достижения приемлемой степени измельчения; величина зазора менее 0,2 мм приводит к переизмельчению зернового материала;

– уменьшение угла заточки режущего элемента приводит к уменьшению силы резания; приемлемый угол заточки режущего элемента составляет 75;

– при увеличении скорости увеличивается сила резания.

5. Экспериментально определены рациональные конструктивные параметры рабочих органов дисмембратора. Выявлено:

– оптимальный зазор между режущими элементами дисмембратора - =0,2 мм, именно при такой величине зазора наблюдается минимальная потребляемая мощность;

– нагрузка на электродвигатель зависит от размера проходного сечения на входе в камеру измельчения. Приемлемый размер проходного сечения равен 25 мм;

– конструкция ротора, наличие лопаток на периферии диска которой, а так же 3 ряда зубьев для измельчения обеспечивают равномерное измельчение зерна (это позволяет получать однородную по своему составу массу, гранулометрический состав которой соответствует зоотехническим требованиям).

6. Разработан и изготовлен промышленный образец дисмембратора, который прошел испытания в условиях крестьянско-фермерского хозяйства. В процессе испытания установлено, что среднесуточный привес составил от 0,750 до 0,868 кг, уменьшился расход электроэнергии на 54%, снизился расход зерновой смеси в сутки в 2 раза. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения дисмембратора составил 60773 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, по перечню ВАК

1. Ситников, А.А.Эффективная малогабаритная кормоприготовительная установка / Ситников А.А., Нефедов Е.Н. Камышов Ю.Н. //Сельский механизатор. – 2010. – № 4 – С.22 – 25.

Патенты

2. Пат. 93300 Российская Федерация, МПК В02С7/00 Устройство для приготовления гомогенизированных продуктов / Ситников А.А Нефедов Е.Н., Дрюк В.А., Салеев Ф.И., Камышов Ю.Н., Лебедев А.С.; заявл. 21.12.2009; опубл. 27.04.2010.

3. Пат. 112646. Российская Федерация, МПК В02С7/00 Устройство для приготовления гомогенизированных продуктов./ Нефедов Е.Н., Ситников А.А., Нефедов К.Е., Камышов Ю.Н., Почтер С.В. Заявл. 29.07.2011; Опубл. 20.01.2012.

4. Положительное решение о выдаче патента Р.Ф. на изобретение от 17 января 2012. Дисмембратор для приготовления гомогенизированных продуктов / Ситников А.А., Нефедов Е.Н., Нефедов К.Е., Дрюк В.А., Салеев Ф.И., Почтер С.В., Камышов Ю.Н. – № 2010137459/13; заявл. 08.09.2010.

В других изданиях

5. Ситников, А.А. Опытная установка по приготовлению жидких кормов на основе вихревого теплогенератора. / Ситников А.А., Камышов Ю.Н., Лебедев А.С. // Ползуновский альманах №2. – Барнаул, АлтГТУ – 2009. – С.54 – 55.

6. Ситников, А.А. Исследование влияния конструктивных параметров вихревого теплогенератора на эффективность подготовки кормовых смесей. / Ситников А.А., Нефедов Е.Н., Нефедов К.Е. Камышов Ю.Н. / Модернизация сельскохозяйственного машиностроения: проблемы, задачи и пути их решения: Сб. науч. тр. – Барнаул: Изд-во ОАО «Алтайский полиграфический комбинат», 2010. – С.72 – 78.

7. Ситников, А.А. Исследование процесса разрушения зернобобовых культур и определение оптимальных параметров гидродинамического центробежного-роторного измельчителя. / Ситников А.А., Камышов Ю.Н., Почтер С.В., Макарова Н.А. Современная техника итехнологии: проблемы, состояние и перспективы: Материалы I всероссийской научно-технической конференции 23 – 25 ноября 2011 г. / Под ред. к.т.н., профессора А.Н. Площаднова / Рубцовский индустриальный институт. – Рубцовск, 2011. – С. 497 – 501.

8. «Проведение поисковых научных исследований и разработка научно-технологических основ энергосберегающих процессов механоактивационной обработки сырья органического происхождения для создания и организации производства гидродинамических центробежно-роторных теплогенераторов» промежуточный отчет о НИР, УДК 631.3:636;631.22;636.084.7 по Государственный контракт № 02.740.11.0828. Руководитель НИР, д-р техн. наук, профессор – Максименко А.А. Г.Р. №01201064729. Инв. № 02-10. – Барнаул 2010 – 91 с. – исполн.: Максименко А.А., Ситников А.А., Камышов Ю.Н. и др.