Исследования и сравнительные испытания плющилки зерна с питающим устройством

Полный текст

Введение

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-Агро», 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 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. Мошонкин 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. Мошонкиным проведены научные исследования по усовершенствованию рабочего процесса плющилок зерна. Среди результатов разработка конструктивно-технологической 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].

 

 

 

 

Рис. 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

Fig. 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

 

 

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 G_n(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 научно-технических и патентных литературных 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 питающие вальцы для него (рис. 2a); устройство устанавливалось на экспериментальную плющилку (рис. 2b).

 

 

 

 

Рис. 2. a) Экспериментальный образец питающего устройства с вальцами для него;
b) установка для исследования рабочего процесса плющения зерна

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

 

 

Результаты исследования

Для нахождения рациональных конструктивно-технологических и режимных параметров вальца питающего устройства плющилки проведены теоретические исследования его рабочего процесса. Конструктивно-технологическая 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.

 

 

 

 

Рис. 3. a) Схема перемещения зерновки в питающем устройстве плющилки зерна;
b) действующие на нее силы при движения по лопасти вальца

Fig. 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

 

 

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):

$m\overrightarrow{W}=m\overrightarrow{g }+ \overrightarrow{{\Phi }_e}+\overrightarrow{{\Phi }_c }+ \overrightarrow{N}+\overrightarrow{F_{ТР}}$ ,    (1)

где $\overrightarrow{W}$  = $\ddot{x}$  – абсолютное ускорение частицы зерна при ее движении по лопасти питающего вальца; $m\overrightarrow{g}$  – сила тяжести.

 $\overrightarrow{{\Phi }_e}$ – кориолисова сила, Н:

 $\overrightarrow{{\Phi }_e }$ = 2mω$\overrightarrow{V_r}$   = $2m\omega \dot{x},$           (2)

где ω – частота вращения питающего вальца, рад/с.

 $\overrightarrow{{\Phi }_c } -$  центробежная сила, Н:

$\overrightarrow{{\Phi }_c}$  = mω²r = mω²x.           (3)

 $\overrightarrow{F_{ТР }}$ – сила трения, Н:

 $\overrightarrow{F_{ТР}}$ = f$\overrightarrow{N}$ .                   (4)

 $\overrightarrow{N}$ – прижимающая сила, Н:

$N=-mg\sin \omega t+2m\omega \dot{x}$ .     (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:

$\begin{array}{l}x=c_1\cdot e^{{\lambda }_{1}t}+c_2\cdot e^{{\lambda }_{2}t}+A\cos \omega f+B\sin \omega t,\\ \dot{x}={\lambda }_1{c}_1\cdot e^{{\lambda }_{1}t}+{\lambda }_2{c}_2\cdot e^{{\lambda }_{2}t}-A\omega \sin \omega f+B\omega \cos \omega t,(6)\end{array}$                     

${\lambda }_1=-f\omega +\omega \sqrt{\left(f^2+1\right)}$ ,         (7)

${\lambda }_2=-f\omega -\omega \sqrt{\left(f^2+1\right)}$ ,         (8)

$\left\{\begin{array}{l}{c}_2=\frac{{\lambda }_{1}r-{\lambda }_{1}A+B\omega }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}\\ c_1=r-\frac{{\lambda }_{1}r-{\lambda }_{1}A+B\omega }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}-A\end{array}\right.$    (9)

$\left\{\begin{array}{l}B=\frac{gf}{-2{\omega }^2-2f{\omega }^2+gf}\\ A=\frac{g{f}^2}{-2{\omega }^2-2f{\omega }^2+gf}-\frac{g}{2{\omega }^2}\end{array}\right.$  (10)

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 n, мин^–1, коэффициента трения f зерновки о материал лопасти вальца, а также от величины r₀, 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).

 

 

 

 

Рис. 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

Fig. 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

 

 

Проведена проверка эффективности исследуемого устройства. Установлено, что при величине внутреннего радиуса питающего вала r₀ ≥ 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. Нолинск Кировской обл.) (рис. 5b).

 

 

 

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

Fig. 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 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 с лопастями. Новизна технических решений подтверждена патентами.
2. Найдены рациональные параметры вальца питающего устройства, повышающие эффективность получения корма. Установлено, что при величине внутреннего радиуса питающего вальца r₀ ≥ 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 %.

 

 

¹           Мошонкин А. М. Совершенствование конструкции и оптимизация конструктивно-технологических параметров питающего устройства плющилки зерна : дис. ... канд. техн. наук. Чебоксары, 2020. 143 с.

²           ГОСТ 54783-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Основные положения. М. : Стандартинформ, 2020 ; ОСТ 10.2.2-2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки. М. : Изд-во стандартов, 2002 ; СТО АИСТ 1.14.2-2020. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для кормопроизводства. Показатели назначения и надежности. М., 2020.

 

Об авторах

Петр Алексеевич Савиных

ФАНЦ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого

Автор, ответственный за переписку.
Email: peter.savinyh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5668-8479
Scopus Author ID: 56728791200
ResearcherId: V-6933-2017

главный научный сотрудник Федерального аграрного научного центра, доктор технических наук, профессор

Россия, 610007, г. Киров, ул. Ленина, д. 166а

Василий Алексеевич Сысуев

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого

Email: sisuev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1172-005X
Scopus Author ID: 56728483000
ResearcherId: B-8519-2019

главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор, академик РАН

Россия, 610007, г. Киров, ул. Ленина, д. 166а

Владимир Аркадьевич Казаков

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого

Email: kazakov.vladimir.263@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3512-317X
Scopus Author ID: 56727628500
ResearcherId: CAH-0362-2022

старший научный сотрудник лаборатории механизации животноводства, кандидат технических наук

Россия, 610007, г. Киров, ул. Ленина, д. 166а

Юрий Вячеславович Сычугов

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого

Email: yuri.sychugov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6694-9575
Scopus Author ID: 57202650179
ResearcherId: CAH-1230-2022

старший научный сотрудник лаборатории механизации животноводства, доктор технических наук

Россия, 610007,г. Киров, ул. Ленина, д. 166а

Список литературы

Дополнительные файлы