Критерий рабочего процесса и конструкция измельчителя растительных материалов

Введение. Подготовка кормов к скармливанию – один из важных процессов на животноводческих фермах. Среди различных операций этого процесса основное место занимает измельчение кормов как зеленых, стебельчатых, так и корнеклубнеплодов для скармливания крупному рогатому скоту и другим животным [1, 2, 3, 4].

Измельчение достаточно энергоёмкий процесс обработки кормов. На фермах страны используются различные измельчающие машины. Они отличаются как по назначению, производительности, потребной мощности, так и конструктивно. Заключение о том, какому типу измельчителей отдать предпочтение, не всегда объективно сделать. Особенно, если используются различные корма для кормления животных. Машина для измельчения должна быть уни- версальной, позволять обрабатывать корма с различными параметрами в соответствии с зоотехническими нормами. Порой не так просто выбрать измельчитель для малых крестьянских хозяйств или приоритетное направление совершенствования подобных машин. Поэтому важно иметь возможность оценки технологического процесса измельчителей с целью выявления наиболее эффективного из них. Это может также сэкономить материальные затраты товаропроизводителя при приобретении новых машин для приготовления кормов [5, 6, 7].

В связи с тем, что в настоящее время для измельчения кормов используются машины с различными рабочими органами, при проведении анализа измельчителей растительных материалов для выбора типа их перспективной конструкции необходим критерий, учитывающий как качественные, так и количественные показатели его рабочего процесса.

Материалы и методы исследования. Нами рассмотрена и проанализирована априорная информация, выполнен анализ рабочих процессов измельчителей кормов. При проведении теоретических исследований, которые направлены на обоснование критерия оценки рабочего процесса и выбора перспективного направления их совершенствования, использованы закономерности математики и аналитики.

Обзор априорной информации показал, что работ, связанных с обоснованием показателя, характеризующего процесс измельчения кормов, представлено достаточно, особенно касающихся зернового материала. Однако они однотипны. На практике часто используют либо степень измельчения, либо модуль помола [8, 9, 10]. Первый показатель дает количественную оценку процесса измельчения, характеризуя изменение первоначального размера корма. Данный критерий определяется как отношение среднего характерного размера исходного материала к его размеру после измельчения. Второй показатель оценивает процент фракций частиц после измельчения продукта. Он определяется ситовым анализом и находится как средневзвешенный размер частиц после измельчения.

Ввиду того, что корма готовятся для животных, критерий должен иметь оценочный показатель измельчённого продукта с учётом зоотехнических требований. Так, А.Я. Элли несколько изменил модуль помола и предложил оценивать качество процесса безразмерным коэффициентом однородности измельчённой массы К о [11]:

K 0 = GФ-, (1) Gп где Gф, Gn - масса фракции в пробе, соответствующая по размерам зоотехническим требованиям и общей пробе, кг.

Представленный показатель не оценивает специфику проводимого процесса, т.е. изменение размеров кормового матери- ала при его измельчении.

Критерий, учитывающий соотношение между размерами до и после измельчения, в технике принято называть, как было сказано выше, степенью измельчения X, определяемой из выражения л=L,                 (2)

где L, l - характерный размер соответ- ственно исходного материала и его частиц после измельчения, м.

Указанный показатель X безразмерный и характеризует глубину процесса измельчения материала в ходе его обработки в машине. Является конкретным показателем технической характеристики измельчителей, но не дает информации о качестве конечного продукта с позиции учёта зоотехнических требований.

Для сравнительной оценки различных измельчителей и выбора перспективной их конструкции для совершенствования целесообразен обобщённый критерий, включающий в себя технологические показатели, такие как производительность машин (Q), потребная мощность (N), а также качество измельчения (Ко, X) [12].

Для получения обобщенного критерия рассмотрим измельчение единичного стебельчатого материала, например, соломы. Пусть исходный стебель соломы характеризуется длиной Lo и массой Mo. В результате работы измельчителя будет k1 – частиц со- ломы, соответствующих зоотехническим требованиям с длиной l и общей массой m1 и k2 – частиц соломы, не соответствующих зоотехническим требованиям с длиной l и общей массой m2. В математическом виде это будет следующее:

Lo = к171 + к272;(3)

М = m + m2.

Разделив выражение (3) на (4), полу- чим:

mml

—^L + —- = к — + к

1 Lo l2

MM oo

l 1           m

С учётом, того, что — = — и К. = —1- , L o X    0   M o

тогда

m ₂        1        l ₂

К +-- — k, —+ k₉ — .

° M o    ¹X 2 L o

Если для простоты анализа допустить, что стебель грубого корма перерезается перпендикулярно его оси, то выражение для его массы в общем виде будет следующим:

m — Fl p ,

где F – площадь поперечного сечения стебля, м 2 ; р - объёмная масса стебля, кг/м³.

Выражения (6) с учетом формулы (7) после упрощения получит вид

стебельчатого корма от длины его частиц, то тогда для любых значений Х можно вычислить показатель K o .

Для сравнения различных машин на практике пользуются обычно показателем энергоёмкости, который учитывает как потребную мощность на процесс, так и производительность машины [13, 14]. Учитывая сказанное, представим обобщённый показатель ( П ) для сравнительной оценки различных измельчителей, который примет вид

П — -T-NN ---л

Q [ ‘ - _X' р,

.

r

к - = k t+ l ,    ^

X L

О к

2 - ^ 1 р о )

,

сти

Критерий учитывает затраты мощно-машин различной производительности

где р о , р к - соответственно объёмная масса стебельчатого корма до и после измельчения, кг/м³.

Для устройств, обеспечивающих процесс резания в соответствии с зоотехническими требованиями, коэффициент однородности K o должен быть более 0,8. Тогда, с некоторым приближением, переходя от измельчения единичного стебля к кормовому материалу, можно принять:

k i ~Х; k i >>  k 2 —>0;  —²— — —; р к ^р и ,

Lo   Х где ри - среднее значение объёмной массы материала после измельчения, кг/м3.

С учетом принятых допущений выражение (8) примет вид

K — 1 - ¹ Eu-

0     Хр о

.

Физический смысл представленного показателя K o следующий в крайних положениях его значений. Если степень измельчения будет Х=1, то объемная масса корма Р и = Р о , тогда показатель K o = 0 (процесс измельчения отсутствует), и если степень измельчения корма Х— т , то критерий K o =1 (максимально возможное измельчение). Это означает, что 100% частиц корма после измельчения по длине соответствуют зоотехническим требованиям. Если известна закономерность изменения объёмной массы

на измельчение растительного материала в соответствии с зоотехническими требованиями с учётом получаемой степени измельчения. Поэтому данный критерий наиболее целесообразен для сравнительной оценки различных машин и выбора перспективной модели измельчителя.

Результаты исследования и их обсуждение. Нами для оценки рабочего процесса различных серийно выпускавшихся или выпускаемых промышленностью для измельчения машин с различными типами рабочих органов был проведен их сравнительный анализ. В таблице представлены результаты сравнения различных измельчителей кормов с использованием обобщенного критерия. Справочные показатели, приведенные в таблице, взяты из технических описаний и инструкций по эксплуатации приведенных марок машин. При сравнении измельчителей были выбраны машины с различным типом рабочих органов, а именно ножевой, молотковый и штифтовой.

При оценке машин использовался обобщённый критерий ( П ). Анализ показал, что наибольшее его численное значение имеет измельчитель с молотковым рабочим органом, а значит он менее эффективный. Наилучшие характеристики у измельчителей с ножевым рабочим органом (таблица).

Сравнительная оценка измельчителей кормов Comparative evaluation of feed choppers

Марка машин Brand of a car	Производительность, т/ч Capacity t/h солома straw	Мощность привода, кВт Drive power kW	Тип рабочего органа Working body type	Размер частиц, мм Part size c, mm	Степень измельчения, λ Degree of crushing, λ	Критерий П , кВт ⋅ ч/т Criterion P, h/t kW
ИРТ-165-03	7,1	121	молотковый hammer	30–75	11–26	17,72–18,76
ИГК-30Б	0,8–3,0	17,0	штифтовой pin	10–40	20–80	15,96–16,62
ИРК-145	4,2	50	ножевой knife	20–90	9–40	12,14–13,02
ИСК-3,0А	4,5	37,0	ножевой knife	30–50	16–26	8,55–8,77
ИКМ-5	6,7 (свекла) 6,7 (beetroot)	7,5	ножевой knife	3–15	10–50	1,14–1,24

Так, наименьшее численное значение критерия ( П =1,14…1,24 кВт⋅ч/т) имеет измельчитель корнеплодов ИКМ-5. Это дополнительно также связано с тем, что обрабатываемым материалом являлся сочный корм в виде корнеплодов. Исходя из того, что машина должна быть универсальной с позиции измельчения как сочных, так и грубых кормов, то этому критерию отвечает ИСК-3А. К тому же имеет более простое устройство, а это повышает его эксплуатационную надежность.

На наш взгляд, перспективным направлением совершенствования измельчителей являются машины с ножевым рабочим органом и по компоновке предпочтительна конструктивная схема типа ИСК-3А с поярусным расположением ножей на валу рабочего органа.

На основании изучения и исследования физико-механических свойств различных кормов (зелёная масса, корнеклубнеплоды, сено, солома), анализа существующих конструкций с использованием обобщённого критерия ( П ) и проведения поисковых опытов по измельчению кормов была принята конструктивная схема универсального измельчителя.

Измельчитель кормов (рисунок) содержит цилиндрическую камеру 1 с проти- ворежущими элементами 2 на её внутренней поверхности. Концентрично внутри цилиндрической камеры установлен вал 3. На нём радиально поярусно размещены ножи 4 с возможностью взаимодействовать при вращении с противорежущими элементами 2. В нижней части цилиндрической камеры на валу ротора 3 установлен диск 5. Он имеет диаметрально выполненные пазы 6, внутри которых размещены трёхгранные прямоугольные призмы 7. Они могут вертикально перемещаться за счёт винта 8, установленного в полости вдоль осевой линии вала ротора 3. Это необходимо для перенастройки рабочих органов для измельчения корнеклубнеплодов или грубого корма.

При крайнем нижнем положении трёхгранных прямоугольных призм между ними и диском 5 образуются окна 9. Верхние кромки пазов диска 5, обращённые к наклонной поверхности призм, выполнены с режущими поверхностями 10. Выгрузная горловина 11 камеры 1 имеет регулируемую по высоте заслонку 12. Цилиндрическая камера 1 размещена на раме 13, а привод вала ротора 3 осуществляется от электродвигателя 14 через клиноременную передачу 15. Техническая новизна измельчителя подтверждена патентом РФ на изобретения № 2121259 [15].

1– камера; 2 – элементы противорежущие; 3 – вал; 4 – нож; 5 – диск; 6 – пазы; 7 – призмы; 8 – винт; 9 – окно; 10 – поверхность; 11 – горловина; 12 – заслонка; 13 – рама; 14 – электродвигатель;

15 – ременная передача

Принципиальная схема измельчителя кормов

1 – chamber; 2 – counter-cutting elements; 3 – shaft; 4 – knife; 5 – disk; 6 – slots; 7 – prisms; 8 – screw; 9 – opening; 10 – surface; 11 – throat; 12 – damper; 13 – frame; 14 – electric motor; 15 – belt drive Schematic diagram for a feed chopper

При измельчении сена, соломы или зелёной массы поднимают трёхгранные призмы 7 в верхнее крайнее положение посредством винта 8, а заслонку 12 опускают в крайнее нижнее положение. При этом нижняя часть заслонки опускается в паз рамы 13, а в верхней части горловины образуется выгрузная щель по уровню выше диска 5. При вращении вала ротора 3 и загрузки кормов в цилиндрическую камеру они перемещаются сверху вниз в зону взаимодействия ножей 4 с противорежущими элементами 2, где происходит их измельчение. В результате действия воздушного потока, создаваемого рабочим органом, и силы тяжести, измельченные корма поступают на диск 5, откуда выбрасываются вертикальными радиальными выступами призм 7 через выгрузную горловину 11 измельчителя наружу.

При измельчении корнеклубнеплодов перемещают трёхгранные прямоугольные призмы 7 в крайнее нижнее положение за счет винта 8, а заслонку 12 наоборот поднимают в крайнее верхнее положение.

Корнеклубнеплоды при измельчении движутся по нисходящей траектории и попадают под воздействие ножей и противо-режущих элементов 2, частично измельчаются. При поступлении на поверхность вращающегося диска 5 происходит окончательное качественное измельчение корнеклубнеплодов посредством режущих кромок 10 без переизмельчения и выделения сока. Образующиеся ломтики проходят через окна 9 вниз и при помощи нижних выступов трёхгранных прямоугольных призм 7 выбрасываются наружу через горловину 11.

Особенность предложенного устройства заключается в способности измельчать различные виды кормов: как корнеклубнеплоды, так и грубые и зелёные корма при минимальной перестройке рабочих органов без разборки. Это особенно важно для не- больших фермерских хозяйств. В качестве ножей и противорежущих элементов в измельчителе можно использовать сегменты жаток или косилок, которые нашли на практике широкое применение.

Выводы. Большое разнообразие применяемых на фермах различных измельчителей затрудняет объективное выявление более эффективного из них. Поэтому был предложен обобщенный критерий, который позволяет проводить оценку измельчителей на основе таких показателей, как производительность, потребляемая мощность привода, степень измельчения корма и однородность измельчённой массы в соответствии с зоотехническими требованиями.

Сравнительный анализ показал, что наибольшее численное значение критерия имеют измельчители с молотковыми рабочими органами, который находится в диапазоне 17,72–18,76 кВт⋅ч/т. Показатель измельчителя со штифтовыми рабочими органами 15,96–16,62 кВт⋅ч/т имеет меньший показатель, а наилучший вариант имеют измельчители с ножевыми рабочими органами, у которых данный критерий изменяется от 1,14 до 13,02 кВт⋅ч/т в зависимости от измельчаемого корма.

Предложена конструкция универсального измельчителя ножевого типа, позволяющего измельчать как зеленые, грубые корма, так и корнеклубнеплоды в соответствии с зоотехническими требованиями.