Исследования и сравнительные испытания плющилки зерна с питающим устройством

Эффективность животноводческой отрасли в значительной мере определяется качеством потребляемых животными кормов [1]. Важное место при скармливании как в чистом виде, так и в качестве одного из компонентов комбикормов занимает очищенное от примесей плющеное фуражное зерно, сухое или влажное. Так, скармливание влажного плющеного зернового корма улучшает его усвояемость на 5–8 %, что повышает привесы молодняка и надои коров на 7–11 %. Технологии получения влажного плющеного корма имеют свои положительные стороны, например уборка высоковлажного зерна на плющение позволяет начинать ее на 2–3 недели раньше традиционных сроков [2]. Использование технологий плющения зерна экономически эффективно, поэтому их применение весьма актуально [3].

Для осуществления технологического процесса получения плющеного зернового корма, сухого и влажного, в ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока разработана, изготовлена и испытана плющилка зерна ПЗ-1. Ее конструктивно-технологическая документация передана в ООО «Нолинский ремонтный завод», который успешно освоил серийный выпуск и использует данную машину в течение последних 4 лет. Однако в условиях конкуренции со стороны отечественных и зарубежных производителей требуется модернизация плющилки ПЗ-1 для увеличения производительности плющения зерна и снижения энергозатрат на данный процесс.

Согласно анализу уровня техники по рассматриваемому вопросу для повышения эффективности получения корма плющилкой необходимо питающее устройство, обеспечивающее подвод исходного фуражного зерна в зону плющения в нужном количестве, с технологически необходимой скоростью и направлением [4]. Это приведет к увеличению производительности плющения Q, т/ч, и снизит энергопотребление Э, кВт∙ч/т, рабочего процесса плющилки.

Цель исследования – разработать схему питающего устройства к плющилке зерна и найти рациональные конструктивно-технологические параметры его активного рабочего органа (питающего вальца), которые увеличат производительность плющения Q и снизят энергопотребление Э. Также важно провести ведомственные и сравнительные испытания усовершенствованной плющилки.

Обзор литературы

Технологии получения плющеного зерна (сухого или влажного) – относительно новый вид производства концентрированных зерновых кормов для нужд животноводства. Их исследованием и использованием занимаются коллективы ученых как в нашей стране, так и за рубежом [5; 6].

Получают плющеный зерновой корм специальные кормоприготовительные машины – плющилки зерна [7; 8]. Их конструкции могут значительно отличаться друг от друга, но рабочий процесс аналогичен: зерновки исходного зернового материала проходят через зазор, который значительно меньше толщины зерновок и образован вращающимися навстречу друг другу цилиндрическими вальцами [9–11]. Рынок производителей и продавцов плющилок зерна достаточно развит как в Российской Федерации, так и за рубежом. Например, финская фирма Aimo Kortteen Konepaja Oy производит и продает плющилки Murska 350 S2, Murska 700 S2 c различной производительностью (от 1 до 40 т/ч). Они оснащены рифлеными вальцами для плющения. В комплект входит оборудование для обработки влажного плющеного зерна консервантом. ROmiLL (Чехия) производит не только плющилки марок M1–М900 с производительностью 1–40 т/ч, но и упаковщики влажного плющеного зерна в полиэтиленовый рукав с устройствами внесения консерванта во влажное плющеное зерно. Республика Беларусь выпускает плющилки Корм-10. Россия так же имеет своих производителей: ООО «Доза-Аг-ро», ЗАО «Лужская сельхозтехника», ООО «Ремонтный завод» (г. Нолинск Кировской области) и др.

Проблемами технологии получения плющеного зернового корма и технических средств для его осуществления занимались А. Н. Перекопский [6], В. А. Сысуев [12; 13], П. А. Савиных [14], А. Ю. Исупов [15–17], В. А. Казаков [12; 13], А. Марчук, В. Романюк, С. Ивановс [18–20].

В лаборатории механизации животноводства ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока предложены новые конструкции плющилок зерна, в том числе двухступенчатых [9; 12; 13]. Проведены научные исследования рабочего процесса плющилок данного типа. С учетом их результатов изготовлены опытные образцы двухступенчатых плющилок ПЗД-3.1 и ПЗД-6 согласно конструкторской документации [9]. Некоторые из них, например ПЗД-3.1, рекомендованы для массового производства.

Для обеспечения наиболее эффективного функционирования плющилки зерна необходимо питающее устройство, расположенное между питающим бункером и зоной плющения и позволяющее обеспечить следующие технологические параметры поступления зерна в зону плющения (межвальцовый зазор): необходимое и достаточное количество зерна для плющения, непрерывная и равномерная его подача, технологически необходимая скорость подачи исходного зерна, исключение

Том 32, № 2. 2022

забивания загрузочного окна питающего бункера [4; 12; 13].

Научными исследованиями рабочего процесса питающего устройства и его влияния на эффективность получения плющеного корма плющилками зерна занимались ученые А. М. Мо-шонкин и В. А. Одегов [4; 9].

Анализ научных работ позволил сделать вывод, что для плющилки зерна наиболее целесообразно применять питающее устройство (питатель) с активным рабочим органом – питающим вальцем с лопастями. Питающее устройство должно располагаться между питающим бункером плющилки и вальцами для плющениия, а вращающийся питающий валец устанавливается горизонтально под загрузочным окном питателя по всей его длине, при этом зерно с лопастей вальца через окно попадает в подводящий канал и через него в зону плющения [12; 13].

Материалы и методы

Учеными ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока совместно с А. М. Мошонки-ным проведены научные исследования по усовершенствованию рабочего процесса плющилок зерна. Среди результатов разработка конструктивнотехнологической схемы одноступенчатой (с двумя вальцами для плющения) плющилки зерна (рис. 1a), оснащенной питающим устройством, и блок-схемы функционирования ее технологического (рабочего) процесса (рис. 1b)1. Новизна схемы и рабочего процесса питающего устройства плющилки подтверждена патентами № 2557780 и 2628297 [12; 13].

Технологический процесс питающего устройства заключается в следующем. Вращающийся валец с лопастями 6, смонтированный в питающем устройстве I, дозировано подает зерно для плющения 11 через загрузочное окно 3, регулируемое по высоте, в подводящий канал 5 и через него в зону плющения 12. Питающий вал обеспечивает технологически необходимую скорость подачи зерна на плющение, а также непрерывность и равномерность его поступления. Величина подачи зерна (производительность плющилки) регулируется заслонкой 4, а диаметр и частота вращения питающего вальца определяют скорость поступающего зерна в зону плющения 12.

Блок-схема функционирования технологического (рабочего) процесса плющилки (рис. 1b) заключается в следующем. Подлежащее плющению зерно, имеющее некие свойства среды W(t), загружается в емкость (бункер Б) в количестве Gn(t). Из бункера Б, оснащенного питающим устройством ПУ, зерновой материал со скоростью V(t), придаваемой ему питающим устройством ПУ, поступает в канал ПК и на выходе из него со скоростью V(t) в зону плющения на рабочие органы РО плющилки. После прохождения зерновым материалом участка РО получается готовый продукт ГП – плющеное зерно. Определяющими параметрами при оценке работы плющилки являются пропускная способность (производительность) Q(t) и удельные энергозатраты Э(t) на производство конечного продукта.

С целью повышения эффективности получения корма плющилкой с питающим устройством проведены теоретические и экспериментальные исследования параметров вращающегося вальца данного устройства, оказывающих влияние на выходные показатели рабочего процесса плющения. На первом этапе, с учетом анализа имеющихся научнотехнических и патентных литературных

a)

b)

Р и с. 1. a) Схема плющилки зерна с питающим устройством I;

• b) блок-схема технологического (рабочего) процесса; 1 – несущая рама, 2 – питающий бункер,

• 3    – загрузочное окно; 4 – заслонка для регулировки подачи зерна; 5 – подводящий канал;

• 6    – питающий валец с лопастями; 7, 8 – вальцы для плющения; 9 – электродвигатель;

• 10    – клиноременная передача; 11 – исходное зерно; 12 – зона плющения; 13 – готовый продукт

F i g. 1. a) Scheme of grain flattener with a feeding device I; b) block diagram of technological (working) process; 1 – bearing frame; 2 – feeding hopper; 3 – charging door; 4 – flap for adjusting grain feed;

5 – feeding channel; 6 – feeding roller with blades; 7, 8 – roller for flattening; 9 – electric motor;

10 – V-belt transmission; 11 – source grain; 12 – flattening zone; 13 – finished product Technologies, machinery and equipment                                                      211

источников, проведены теоретические исследования рабочего процесса плющилки данного типа. В результате выявлены закономерности и связи конструктивно-технологических параметров ее элементов между собой и определено их влияние на рабочий процесс плющения зерна. Величины параметров, оказывающих положительное влияние на процесс плющения, применены при изготовлении экспериментального образца плющилки, затем опробованы и улучшены в реальном рабочем процессе (экспериментальные исследования). Результаты исследований использованы при разработке конструкторской документации на плющилку зерна с питающим устройством.

Изготовлены экспериментальный образец питающего устройства и пи-

Том 32, № 2. 2022

тающие вальцы для него (рис. 2a); устройство устанавливалось на экспериментальную плющилку (рис. 2b).

Результаты исследования

Для нахождения рациональных конструктивно-технологических и режимных параметров вальца питающего устройства плющилки проведены теоретические исследования его рабочего процесса. Конструктивнотехнологическая схема исследуемого устройства (рис. 1a) соответствует представленной в патентах № 2557780 и 2628297 [12; 13]. Схема движения зерновки (единичного зерна) в рабочей зоне питающего устройства плющилки зерна представлена на рисунке 3a, направление движения по лопасти питающего вальца и действующие на нее силы – на рисунке 3b.

• a)                                                      b)

Р и с. 2. a) Экспериментальный образец питающего устройства с вальцами для него;

• b)    установка для исследования рабочего процесса плющения зерна

F i g. 2. a) An experimental sample of a feeding device with rollers for it; b) an installation for studying the working process of grain flattening

Технологический процесс получения плющеного корма плющилкой с питающим устройством заключается в следующем. Зерно для плющения 1 из питающего бункера 2 через загрузочное окно 3 и каналы 8 попадает на лопасти 9 вращающегося вальца 5 , под действием центробежных сил движется по ним и сходит в подводящий канал 10 и через него в зону плющения (межвальцовый зазор), образованную вальцами для плющения 6 и 7 . В межвальцовом зазоре происходит технологический процесс плющения зерна, получается готовый к скармливанию плющеный зерновой корм.

Движение зерновки по лопасти питающего вальца определяется равнодействующей всех сил, влияющих на нее, и может быть представлено в виде дифференциального уравнения 2-го порядка (с учетом всех действующих сил):

mW = mg +Ф _е + Ф _С +7 V + F _T p , (1)

где W = x - абсолютное ускорение частицы зерна при ее движении по лопасти питающего вальца; mg - сила тяжести.

Φ _e – кориолисова сила, Н:

ОТ = 2 mroV ^ r = 2 m ® x, (2)

где ω – частота вращения питающего вальц а , рад/с.

ф c - центробежная сила, Н:

Φc = mω2r = mω2x.(3)

F _гр - сила трения, Н:

I^*

F„ = fN.(4)

N - прижимающая сила, Н:

N = - mg sin to t + 2 m ro xc . (5)

Проецируя силы на оси координат X и Y (плоскость лопасти и перпендикуляр к ней) (рис. 3b), решаем (1), с учетом (2)–(5), по известным методикам. Получаем решение дифференциального уравнения:

x = c 1 • e^-' t + c 2 • e ^ ² t + A cos ro f + B sin ro t , 5c = X c • e ^¹ t + X ₂ c ₂ • e ^ ² t - A ro sin ro f +

+Bro cos rot,(6)

X1 = - Jro + Ц (f2 +1),(7)

X2 =- Jю - Ц(J2 +1),(8)

Xr - X1 A + Bro c 2 =-----;-----;-------

c₁ = r -

X 1 r - X 1 A + B ro

—

, (9)

A

B =

gf

<

A =

- 2 ® ² - 2 f ro ² + gf gf ²

- 2 ® ² - 2 f ® ² + gf 2 ® ²

. (10) ^g

Уравнение (6), с учетом (7)–(10), определяет параметры движения зерновки по лопасти вальца: расстояние от центра вращения вальца до зерновки, ее скорость и направление в момент времени t при заданных ранее ω и f .

Выражение (6) с помощью разработанной компьютерной программы в приложении Miсrosoft Exсel позволяет определить и представить графически расположение r , м, частицы зерна на лопасти вальца, в любой момент времени t в зависимости от угла поворота вальца φ , град, при различных фиксированных значениях частоты его вращения

b)

Р и с. 3. a) Схема перемещения зерновки в питающем устройстве плющилки зерна;

• b) действующие на нее силы при движения по лопасти вальца

• F i g. 3. a) Scheme of movement of the grain in the feeding device of the grain flattener;

• b) the forces acting on grains when moving along the blade of the roller

• n , мин^–1, коэффициента трения f зерновки о материал лопасти вальца, а также от величины r ₀, м, начала движения зерновки по лопасти вальца. Полученные зависимости позволяют определить степень влияния различных факторов на параметры движения зерновки по лопасти вальца.

На рисунке 4 приведены полученные зависимости для частоты вращения питающего вальца n = 600 мин^–1 (рис. 4a), n = 900 мин^–1 (рис. 4b). Разработанная программа позволяет получить графики и для других n , например n = 400 мин^–1. Но питающий валец с частотой вращения n ˂ 600 мин^–1 и своим радиусом от центра вращения до наружных кромок своих лопастей r = 0,1 м (принятый нами для дальнейших исследований) не обеспечивает подачу необходимого количества зерна в рабочую зону плющилки, вследствие этого пришлось ограничиться величинами n = 600 мин^–1 (рис. 4a) и n = 900 мин^–1 (рис. 4b).

Проведена проверка эффективности исследуемого устройства.

Установлено, что при величине внутреннего радиуса питающего вала r ₀ ≥ ≥ 0,045 м все зерно сходит с лопасти в подводящий канал под требуемым углом φ _вых = 60° при n ≥ 600 мин^–1 и коэффициенте трения зерновки о лопасть вальца f = 0,4. Следовательно, питающий вал и устройство эффективны.

Результаты данных исследований использованы при разработке конструкторской документации на изготовление плющилки зерна с питающим устройством, согласно которой в ПКБ НИИСХ Северо-Востока совместно с ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока изготовлен опытный образец данной кормоприготовительной машины – плющилка сухого и влажного зерна ПЗ–1М.

В период с 03.07.2019 г. по 06.07.2019 г. на базе комплекса «Зиново» ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока проведены ведомственные испытания плющилки зерна с питающим устройством ПЗ–1М (рис. 5a). Также плющилку сравнивали с серийно выпускаемой плющилкой ПЗ-1 ООО «Ремонтный завод» (г. Но-линск Кировской обл.) (рис. 5b).

a)

/

Р и с. 4. Зависимость параметров движения зерновки по лопасти питающего вальца от величины угла его поворота φ при различной частоте вращения вала: a) n = 600 мин^–1; b) n = 900 мин^–1

F i g. 4. The dependence of the parameters of the grain motion along the blade of the feed roller on the value of its rotation angle φ at different shaft speeds: a) n = 600 min^–1; b) n = 900 min^–1

a)

b)

Р и с. 5. Общий вид: a) плющилка фуражного зерна с питающим устойством ПЗ–1М; b) серийно выпускаемая плющилка ПЗ-1

F i g. 5. General view: a) PZ-1M grain flattener with a feeding device;

• b) PZ-1 series-produced grain flattener

  Исходным зерном для плющения выбран ячмень сорта Абава влажностью 12 %. Испытания проведены согласно ГОСТу Р 54783-2011, ОСТу 10.2.2-2002 и показали, что качество произведенного плющилкой ПЗ-1М зернового корма соответствует требованиям СТО АИСТ 1.14.2-2020: средневзвешенная толщина хлопьев готового продукта 1,0–1,3 мм, их однородность 7,5–8,9 %, целых зерен в плющеном зерновом корме нет². При осуществлении технологического процесса производительность плющилки ПЗ-1М составила 1,2–1,4 т/ч при затратах энергии 3,6–4,2 кВт∙ч/т получаемого плющеного зерна (корма).

Сравнительные испытания плющилок ПЗ-1 и ПЗ-1М показывают высокую эффективность применения плющилки ПЗ-1М с питающим устройством: более чем в 2 раза выросла пропускная способность (производительность) плющилки ПЗ-1М по сравнению с аналогом – серийно выпускаемой ПЗ-1 (0,59–1,22 т/ч). При этом энергоемкость технологического процесса плющения новой кормоприготовительной машиной уменьшилась в 1,6 раза (с 6,2 до 3,75 кВт∙ч/т) при одинаковом качестве производимого продукта – плющеного зерна.

Обсуждение и заключение

Проведена экономическая и энергетическая оценка технического средства для получения зернового корма – плющилки зерна с питающим устройством ПЗ–1М. Аналогом для расчета

Vol. 32, no. 2. 2022 экономической эффективности выбрана серийно выпускаемая плющилка ПЗ-1. Принято, что годовая нагрузка в хозяйстве на данные машины составляет 300 т получаемого плющеного корма.

Результаты проведенных исследований показали, что применение плющилки ПЗ-1М эффективно. Получаемый годовой экономический эффект составляет 67 583 руб., при этом удельные капитальные вложения снижаются в 1,48 раза (с 616 до 415 руб./т), удельные эксплуатационные затраты – в 1,48 раза (с 258,4 до 161,9 руб./т).

Энергетическая эффективность применения новой машины, по сравнению с аналогом, оценивается с помощью уровня интенсификации И, %. В нашем случае при использовании плющилки ПЗ-1М вместо ПЗ-1 И = 49 %. Общие (совокупные) затраты энергии на производство единицы продукции плющилкой ПЗ-1М на 49 % меньшие, чем у серийно выпускаемой ПЗ-1.

Подводя итог, стоит отметить следующее:

• 1.    Ученые ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока разработали схему питающего устройства к плющилке зерна. Ее активный рабочий орган – питающий валец

• 2.    Найдены рациональные параметры вальца питающего устройства, повышающие эффективность получения корма. Установлено, что при величине внутреннего радиуса питающего вальца r ₀ ≥ 0,045 м все зерно сходит с лопасти в подводящий канал и через него на плющение под требуемым углом φ _вых = 60° при частоте оборотов n ≥ 600 мин^–1 и коэффициенте трения зерна о лопасть вальца f ≤ 0,4. Таким образом, определены величины параметров, при которых питающий вал и устройство эффективны.

• 3.    Ведомственные и сравнительные испытания плющилки зерна ПЗ-1М с питающим устройством показали высокую эффективность ее применения: плющилка ПЗ-1М надежно и качественно выполняет технологический процесс. Производительность плющения Q возрастает в 2,08 раза по сравнению с аналогом. Энергоемкость процесса Э снижается в 1,6 раза. Годовой экономический эффект от применения плющилки с питающим устройством ПЗ-М составляет 67 583 руб. при уровне интенсификации И = 49 %.

с лопастями. Новизна технических решений подтверждена патентами.

Technologies, machinery and equipment 217

Поступила 05.03.2022; одобрена после рецензирования 11.04.2022; принята к публикации 15.04.2022

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

(26–28 May 2021). Jelgava; 2021. p. 205 ‒ 211. Available at: https://www.tf.llu.lv/conference/proceed- ings2021/Papers/TF044.pdf (accessed 01.03.2022).

Submitted 05.03.2022; approved after reviewing 11.04.2022; accepted for publication 15.04.2022

All authors have read and approved the final manuscript.