АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИСКОВОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КОРНЕПЛОДОВ

Полный текст

Повышение молочной продуктивности коров требует улучшения качества кормов, а также включения в состав рациона корнеклубнеплодов. Одной из обязательных операций подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию является их измельчение и последующее скармливание животным в минимальные сроки (до 2 ч) во избежание порчи. Соответственно, производительность измельчителя должна быть по возможности достаточно высокой, чтобы сократить длительность измельчения корнеплодов. Конструкция измельчителя должна обеспечивать низкие энергозатраты, соблюдение зоотребований на размер частиц (толщина ломтиков до 10 или 15 мм в зависимости от вида животных), предотвращение потерь кормов (в т.ч. за счет сока, т.е. избегать переизмельчения) [1-3]. Цель исследования - аналитически обосновать зависимости по определению основных показателей работы дискового ножевого измельчителя корнеклубнеплодов. Задача исследования - определить теоретические выражения, описывающие энергоемкость процесса, мощность привода, производительность устройства и среднюю толщину ломтиков частиц корней. Материалы и методы исследований. Для измельчения корнеклубнеплодов используются терки, молотковые, штифтовые, ножевые и др. измельчающие аппараты [1-8]. Наиболее предпочтительным, по мнению авторов, для измельчения чистых корнеплодов является дисковый ножевой измельчающий аппарат. Предлагается использовать подобный аппарат с горизонтальной осью вращения. В силу особенностей эксплуатации измельчителя в фермерских хозяйствах, предполагается ручная загрузка корнеплодов в измельчающий аппарат. Для повышения производительности используется загрузное устройство, представленное на рисунке 1 [9]. После закладки корня в приемный бункер 5, рукояткой осуществляется поворот прижимной лопасти 4 устройства в сторону вращающегося диска с ножами 3. Тем самым обеспечивается принудительный подвод корня к ножам 3 диска, обеспечивающий увеличение производительности. Чрезмерное усилие прижатия приведет к излишнему прижатию корня к диску и росту энергоемкости процесса. Толщина ломтиков ограничивается величиной отгиба ножа от плоскости поверхности диска. При недостаточном усилии корень не доходит до диска, соответственно толщина ломтика меньше, производительность устройства ниже, эффективная энергоемкость процесса снижается. Теоретический анализ рабочего процесса позволит определить его основные показатели. Результаты исследований. Конструктивные и энергетические параметры обосновывались авторами в ряде работ [9, 10]. Однако функционально не выявлялась производительность устройства. Рис. 1. Схема дискового ножевого измельчителя корнеплодов: 1 - вал привода; 2 - корпус измельчителя; 3 - диск с ножами; 4 - прижимная лопасть, шарнирно установленная на оси; 5 - приемный бункер; 6 - корнеплод; 7 - выгрузное отверстие для измельченных частиц Для определения энергоемкости измельчения корнеклубнеплодов Y (Дж/кг) требуется знать затраченную энергию (работу) А (Дж) и массу приготовленного корма m (кг). Соответственно [9]: (1) где А1, А2 - работа, затраченная на привод измельчающего аппарата и устройства подачи корнеплодов к измельчающему аппарату, Дж; m - масса измельченного корма, кг. Учитывая, что масса корнеплодов одинакова, а подвод корнеплода осуществляется вручную и не связан с приводом измельчителя, можно записать: (2) где N - мощность, потребная на привод измельчителя, Вт; Q - производительность измельчителя, кг/с. Потребная мощность привода измельчающего аппарата определится (3) где NИЗМ, NАЭР, NРАЗГ, NВЫГР - мощность, потребная соответственно на измельчение корнеплодов, на сопротивление воздуха, на разгон материала до скорости рабочего органа, на выгрузку корма из измельчителя, Вт; h - КПД привода рабочего органа. Из указанных слагаемых достаточно постоянной величиной является мощность, потребная на сопротивление воздуха, а остальные зависят от производительности измельчителя, причем существенно зависят от одной из ее составляющих - толщины срезаемых ломтиков. Чем тоньше ломтики, тем выше затраты энергии на резание. Чем толще ломтики, тем выше трение корнеплодов о диск измельчителя. Производительность измельчителя (кг/с) может быть определена [10]: (4) где Z - количество ножей измельчающего аппарата, шт.; n - частота вращения рабочего органа измельчителя, с-1; D - толщина срезаемых ломтиков, м; a - ширина загрузочной горловины измельчающего аппарата, м; b - высота загрузочной горловины измельчающего аппарата, м; k - коэффициент, учитывающий пустоты между клубнями; kс - коэффициент использования ножа; r - плотность вороха корнеплодов, кг/м3; kис - коэффициент использования рабочего времени измельчающего аппарата, связанный с циклической подачей корнеплодов. Однако данная формула не совсем корректна при используемом варианте работы предложенного измельчителя корнеплодов. Так как фактически применяется порционная подача корнеплодов по циклам, поэтому производительность (кг/с) может определиться: , (5) где Mk - масса порции измельчаемых корнеплодов за смену, кг; Тс - длительность смены, с; m - средняя масса корнеплода, кг; Nк - количество измельчаемых корнеплодов, шт.; Ти - длительность измельчения корнеплодов, с; Тп - длительность операций по замене емкостей с корнеплодами, с; Тд - длительность подготовительно-заключительных операций во время смены, с. Длительность измельчения корнеплодов (с): , (6) где Тр - длительность резания корнеплода, с; Тз - длительность закладки корнеплода, с. Длительность резания (с) можно найти: , (7) где R - радиус основания конуса корнеплода, м; Dс - толщина средней части ломтика, м. Время между проходами ножа (с) составит: . (8) Толщину средней части ломтика можно найти на основании рисунка 2,б. Если нож 2 отстоит от поверхности диска 1 на расстоянии i, то при малой частоте резания ножей ожидается наибольшая толщина ломтиков D (м). С ростом частоты вращения диска с ножами время t смещения корнеплода к диску будет сокращаться, соответственно толщина средней части ломтика Dс будет также уменьшаться. При силовом воздействии (рис. 2,а) момента М прижимной лопасти 4 на корнеплод 5, возникнет сила воздействия лопасти F, расположенная на расстоянии Rl от оси вращения лопасти (т. С), а также ранее существовавшая сила тяжести плода G. Под воздействием указанных сил корнеплод прижимается к днищу приемного бункера 6. Как результат возникает сила нормальной реакции днища N и производная от нее сила трения по днищу Fтр (Н). В результате на центр тяжести корнеплода (т. О) подействует сила инерции Fин. Она будет стараться сместить корнеплод вдоль днища, т.к. его движение к днищу невозможно. В силу опоры корня о днище (т. А) дополнительно возникает вращение вокруг точки А. Т.е. корнеплод 5 начнет прокатываться по днищу приемного бункера 6 в сторону диска 1. Как результат, первый период длительностью t1 - перемещение верхней части корнеплода по точкам 1-2-3-4-5, при минимальном сдвиге в районе т. 0. При достижении верней части диска (т. 5), второй период длительностью t2 - дальнейшее движение пройдет по точкам 6-7-8-9. В зависимости от имеющегося времени, движение прекратится по достижении лимита времени t. Для упрощения теоретических расчетов сделаем допущение о форме плода, близкой к цилиндру, лежащему вдоль плоскости диска. Рис. 2. Схема взаимодействия корнеплода и ножевого аппарата: а - схема действующих сил; б - схема перемещений корнеплода между воздействиями ножа; 1 - диск; 2 - нож; 3 - корпус измельчителя; 4 - прижимная лопасть, шарнирно установленная на оси; 5 - корнеплод; 6 - приемный бункер Нормальная реакция днища (Н): (9) где a - угол наклона днища от горизонтали, рад; b - угол наклона прижимной лопасти от вертикали, рад. Сила инерции корнеплода (Н): . (10) Сила трения о днище (Н): (11) где f - коэффициент трения корнеплода по днищу. Вращающий момент корнеплода (Н×м): . (12) Угловое ускорение корнеплода (рад/с2): . (13) Момент инерции корнеплода (кг×м2) [10]: , (14) где r - радиус центра тяжести элементарного сектора с центральным углом при вершине j®0, м; mi - масса элементарного сектора, кг. Угловая скорость вращения корнеплода (рад/с): . (15) Окружной путь вращения корнеплода (рад): . (16) Скорость движения корнеплода (м/с): . Перемещение центра тяжести корнеплода (м): . (17) Точка «ноль» (т. 0) будет смещаться влево на расстояние (м): (18) В тоже время верхние точки (т.1-2-3-4-5) будут смещаться влево на расстояние, м: (19) При достижении края корнеплода (т. 5) вращение корнеплода против часовой стрелки прекратится, и далее начнется вращение в противоположную сторону из-за продолжающегося движения центра тяжести корнеплода. Время до полного прижатия корнеплода к диску (с) составит: . (20) Время периода t1 можно определить из условия: (21) При этом данное выражение решается только приближенным численным методом, а аналитическое решение отсутствует. Время периода t2 можно определить из условия: (22) Потребная (оптимальная) угловая скорость диска (рад/с) составит: . (23) При меньшей угловой скорости корнеплод будет полностью прижиматься к диску, увеличивая трение об него, деформируя диск и повышая затраты мощности на привод. При несколько большей угловой скорости полного прижатия корнеплодов к диску не происходит, толщина средней части ломтика Dс стремится к величине i. Производительность измельчителя (кг/с) определится: . (24) Заключение. Аналитически определены основные параметры работы предложенного дискового измечителя корнеплодов.

Об авторах

Светлана Станиславовна Петрова

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: ssaariz@mail.ru
канд. техн. наук, доцент 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2

Владимир Викторович Коновалов

ФГБОУ ВПО Пензенский ГТУ

Email: konovalov-penza@rambler.ru
д-р техн. наук, проф. кафедры «Теоретическая и прикладная механика» 440039, Пензенская область, г. Пенза, проезд Байдукова, 1а

Сергей Васильевич Волков

ФГБОУ ВПО Пензенский ГТУ

Email: fpk_pgta@mail.ru
канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика» 440039, Пензенская область, г. Пенза, проезд Байдукова, 1а

Инна Александровна Воронова

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: sha_penza@mail.ru
канд. с.-х. наук, доцент 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30

Список литературы

Дополнительные файлы