1 На правах рукописи Воронцов Сергей Иванович

1
На правах рукописи
Воронцов Сергей Иванович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОСМЕСЕЙ
КРУПНОМУ РОГАТОМУ СКОТУ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин 2010
2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный
аграрный университет»
Научный руководитель
- заслуженный деятель науки и техники РФ,
доктор технических наук, профессор Вагин
Борис Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Керимов Мухтар Ахмиевич
кандидат технических наук
Яблочков Владимир Иванович
Ведущая организация
- ГНУ «Северо-Западный научноисследовательский институт механизации и
электрификации сельского хозяйства РАСХН»
Защита состоится 8 июня 2010 г. в 13 часов 30 минут на заседании
диссертационного совета Д.220.060.06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-ПетербургПушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ, ауд. 2.719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
государственного аграрного университета.
Автореферат разослан «____» ________ 2010 г.
Автореферат размещен на сайте http://www.spbgau.spb.ru/disser/news.shtml
«___» ________ 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Смирнов В.Т.
3
Введение
Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных проблем современного
аграрного производства в РФ является обеспечение населения в достаточном
количестве качественными продуктами животноводства. В целях успешного
удовлетворения растущих потребностей в мясомолочных продуктах необходимо
развивать скотоводство, что, в свою очередь, напрямую связано с созданием прочной
кормовой базы. Рациональное использование кормов предусматривает их
скармливание животным только в подготовленном виде, а также в смеси с другими
компонентами и при высоком качестве приготовления.
Применение кормосмесей позволяет расширить использование растительных
отходов, повысить поедаемость и переваримость кормов, на 10…26% увеличить
продуктивность животных и на 15…20% снизить расход кормов на единицу
продукции. Важную роль в технологических процессах приготовления кормосмесей
играет операция смешивание, результаты которой сказываются на продуктивности
животных. Эта операция требует затрат энергии, которые относятся на себестоимость
корма. Однако существующие смесители, часто не соответствуют зоотехническим
требованиям, малопроизводительны и не всегда обеспечивают получения смеси
требуемого качества. Оптимизация конструктивно-режимных параметров рабочих
органов таких машин является актуальной задачей. В связи с этим совершенствование
смесителей кормов, их рабочих органов, направленное на повышение пропускной
способности машин, снижение энергоемкости процесса смешивания, улучшение
качества кормосмеси является актуальной народно-хозяйственной задачей.
Цель работы – повышение эффективности приготовления кормосмесей крупному
рогатому скоту путем разработки энергосберегающих технологий и средств
механизации.
Объект исследований – технологический процесс смешивания кормов,
экспериментальный шнековый смеситель-раздатчик кормов, его рабочие органы,
компоненты кормов и кормосмесь.
Методы исследования. Достижение поставленной цели осуществлялось
теоретическими и экспериментальными исследованиями. Теоретическое исследование
посвящено получению зависимостей, позволяющих установить конструктивные и
технологические параметры смесителя-раздатчика кормов и его рабочих органов.
Основные результаты выполненной работы получены с использованием как
стандартных, так и частных методик экспериментальных исследований физикомеханических характеристик и свойств компонентов смесей и процесса смешивания
этих компонентов в шнековом смесителе. При обработке результатов эксперимента
использованы методы математической статистики с применением ПК.
Достоверность результатов, полученных в ходе исследований, обеспечена
использованием
современных
приборов,
технологического
оборудования,
компьютерной техники, а также достаточным количеством экспериментов и проверкой
результатов исследований на макетном образце смесителя-раздатчика в условиях
производства на фермах трех хозяйств.
Научная новизна. Предложена математическая модель движения смеси в
смесителях шнекового типа, учитывающая конструктивные особенности рабочих
органов и режимы работы.
4
Обоснованы элементы конструкции нижнего выгрузного шнека и форма
лопастей-ножей шнеков. Предложен алгоритм построения контура лопасти-ножа
смесителя.
Установлены минимальные значения мощности на приводе, удельной
энергоемкости, неоднородности смеси в зависимости от внешних факторов. Новизна
предложенных технических решений подтверждена двумя патентами на изобретение
«Лопасть-нож смесителя» и «Раздатчик-измельчитель грубых кормов рулонной
заготовки».
Практическая значимость результатов исследования:
1. Предложена конструктивно-технологическая схема измельчителя-смесителяраздатчика шнекового типа.
2. Разработан и изготовлен шнековый измельчитель-смеситель с оригинальными
лопастями-ножами.
3. Определены основные параметры измельчителя-смесителя, позволяющие
повысить качество измельчения и смешивания кормовых компонентов смеси при
одновременном снижении энергоемкости процесса приготовления и раздачи кормовой
смеси.
Новизна технических решений подтверждена 2 патентами РФ на изобретение и
двумя патентами на полезную модель.
4. Предлагаемая технология и разработанный смеситель-раздатчик кормовых
смесей испытаны в производственных условиях в СХА «Кубань» и ООО «Волна»
Прикубанского района КЧР, а также в ООО «Заветное» Георгиевского района
Ставропольского края; результаты одобрены и приняты к реализации.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Конструктивно-технологическая схема смесителя-раздатчика кормов;
2. Теоретические основы обоснования технических средств для смешивания
кормов;
3. Математические модели смешивания кормов в объемных смесителях
шнекового типа;
4. Обоснование конструктивных и режимных параметров рабочих органов
смесителя.
5. Критерий оценки смесителей-раздатчиков различных типов.
6. Закономерности процесса смешивания, отражающие связь между
технологическими факторами, физико-механическими свойствами кормов и
энергоемкостью процесса смешивания.
Апробация работы.
Основные результаты исследования были доложены и одобрены на научнотехнических конференциях по вопросам современных технологий и технологических
средств в Ставропольском ГАУ, Карачаево-Черкесской ГТА, Кабардино-Балкарской
ГСХА, Донской ГАУ, Брянской ГСХА и Санкт-ПетербургскойГАУ.
Публикация. По теме диссертации опубликованы 13 работ, в том числе 3 в
изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 2 патента на полезную
модель.
5
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы
из 224 наименований (в том числе 15 на иностранных языках) и приложений. Она
включает 35 таблиц, 54 рисунка и 25 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации и
сформулирована цель исследования, а также приведены основные положения
диссертации, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние вопроса и задачи научного исследования»
представлены технологические предпосылки и особенности приготовления
кормосмесей на фермах крупного рогатого скота, характеристика кормов и
зоотехнические требования, анализ технологий, классификация и анализ конструкций
смесителей кормов. Приводится обзор результатов исследований приготовления
кормов в шнековых смесителях.
Теоретические основы совершенствования процесса смешивания, а также
разработки средств механизации приготовления кормосмесей изложены в работах А.М.
Григорьева, Р.Л. Зенкова, А.А. Лапшина, П.К. Жевлакова, Г.М. Кукты, Ф.К.
Новобранцева, Ф.Г. Стукалина, А.Ш. Финкельштейна, С.В. Мельникова, Б.И. Вагина и
многих других ученых. Доказано, что наиболее перспективными устройствами по
смешиванию кормов для крупного рогатого скота являются шнековые смесители.
Обзор результатов исследований процесса смешивания кормов показал необходимость
дальнейшего совершенствования технологий и средств механизации в направлении
повышения качества продукта и снижения энергоемкости.
В результате сформулированы цель и задачи исследований: 1) выявить влияние
основных физико-механических свойств кормов на показатели работы смесителя; 2)
определить пути снижения энергоемкости работы смесителя кормов; 3) разработать
методику технологического проектирования смесителя кормов; 4) создать опытный
образец и исследовать рабочий процесс смесителя кормов; 5) определить
экономическую эффективность от использования предлагаемого смесителя кормов.
Во втором разделе «Теоретические исследования рабочего процесса смесителяраздатчика кормов» представлено обоснование применения смесителя-раздатчика
кормов шнекового типа, а также обоснование его структурной и технологической
схемы, основные технологические показатели работы, теоретическое обоснование
конструктивных и режимных параметров нижнего выгрузного шнека и формы
лопасти-ножа. У применяемых на фермах крупного рогатого скота РФ смесителейраздатчиков типа РСП-10 выявились определенные недостатки: значительные нагрузки
в приводе рабочих органов смесителя (нижнего выгрузного шнека), следствие большая энергоемкость процесса смешивания кормов.
Результаты исследований Гринберга В.Л., Куницина Л.А., Гладуна В.Ф.,
Омельченко А.А., и Хочуа Ф.А. также свидетельствуют о том, что в трехшнековых
смесителях-раздатчиках кормов значительная часть затрачиваемой в процессе
смешивания энергии расходуется нижним выгрузным шнеком на выталкивание массы
от днища к верхним шнекам, а при выгрузке – к выгрузному окну.
Анализ литературных источников показывает, что при «движении» к животному
корма проходят несколько стадий как во времени, так и в пространстве. Общие
6
закономерности перемещения кормов можно представить технологической схемой
(рисунок 1).
НАКОПЛЕНИЕ
СМЕШИВАНИЕ
ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ
Рисунок 1 − Технологическая схема
приготовления кормосмеси шнековым
смесителем-раздатчиком кормов:
– грубые корма (сено, солома);
– сочные корма (силос, сенаж);
– корнеплоды;
– концентрированные корма;
– кормовая смесь.
РАЗДАЧА
Модель функционирования шнекового смесителя-раздатчика кормов. Решение
задачи совершенствования технологии основывается
на системном подходе к
исследованию и взаимосвязи комплекса процессов в механизированной поточной
линии приготовления и раздачи кормосмеси. С позиции системного подхода
технологический процесс смешивания компонентов кормов и выдачу готовой
кормосмеси можно представить в виде модели детерминированной системы (рисунок
2).
Рисунок 2 − Модель функционирования шнекового смесителя-раздатчика кормов
Целостность системы определяется как совокупность объектов: бункерасмесителя (Б-С) и выгрузного транспортера (ВТ). Входы и выходы системы
различаются по материальному, энергетическому и информационному характеру. В
данном случае в модели входными воздействиями приняты переменные,
определяющие условия работы шнекового смесителя кормов (его производительность
Q(t) и влажность кормосмеси W(t)). На входные показатели исследуемых объектов
7
оказывают влияние внешние факторы, такие как состояние кормового сырья К(t),
температура окружающей среды Т(t) и управляющие воздействия: давление кормового
сырья в бункере- смесителе Р, угловая частота вращения нижнего выгрузного шнека
ωн.ш., угловая частота вращения верхних шнеков ωв.ш.=ωв.ш1.+ ωв.ш2., ширина и высота
выгрузного окна ав.о., вв.о. и скорость движения выгрузного транспортера Vв.т..
Выходными параметрами принята влажность приготавливаемой кормосмеси Wк(t),
потребляемая мощность и энергоемкость процесса приготовления кормосмеси Nк(t) и
Эк(t), неоднородность кормосмеси υк(t) и неравномерность ее выдачи υв(t). Внутри
системы существует определенная связь между исследуемыми объектами, где выход
предыдущего элемента по влажности и производительности является входным
последующего. Предложенная технология и техническое средство приготовления и
раздачи кормосмеси животным защищены патентом №2181937
«Лопасть-нож
смесителя» и положены в основу последующих исследований автора.
Теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров
рабочих органов шнекового смесителя-раздатчика кормов.
Обоснование конструкции нижнего выгрузного шнека смесителя-раздатчика
кормов. С целью повышения эффективности процесса приготовления кормов
порционным циркуляционным смешиванием в настоящей работе сделана попытка
обосновать конструктивные параметры рабочих органов предложенного порционного
циркуляционного смесителя кормов. Смеситель-раздатчик кормов состоит из
следующих основных составных частей: бункера, нижнего выгрузного шнека, двух
верхних шнеков, выгрузного транспортера, коробки цепных передач. Полученные к
настоящему времени результаты использования раздатчика свидетельствуют о том,
что в шнековых смесителях-раздатчиках кормов порционного циркуляционного
действия значительная часть затрачиваемой в процессе смешивания энергии
расходуется нижним выгрузным шнеком на выталкивание кормовых компонентов от
днища к верхним шнекам. Нижний выгрузной шнек (рисунок 3,а,б) состоит из трубы
наружным диаметром dн =180 мм, на концах которой вварены цапфы. К трубе
приварены витки шнека толщиной Вн = 8 мм с правой и левой навивкой, шаг витка Sн =
600 мм, а диаметр витков Dн = 600 мм.
Рисунок 3 − Нижний выгрузной шнек смесителя-раздатчика кормов:
8
а – общий вид; б – разрез А-А.
Участок выгрузного шнека, расположенный в зоне выгрузного окна, выполнен с
установленными по винтовой линии на его полом валу лопастями-ножами, которые
закреплены под углом 40-50° к радиальной плоскости поперечного сечения полого
вала. При этом указанный участок выгрузного шнека выполнен длиной,
соответствующей 1/5-1/6 длины всего шнека, и расположен от передней стенки
бункера на расстоянии, превышающем диаметр витков выгрузного шнека.
Обоснование формы лопасти-ножа шнекового смесителя-раздатчика кормов. Для
достижения максимальной однородности смеси, интенсификации процесса
перемешивания, сокращения зоны смешивания, снижения энергоемкости процесса,
потоку частиц перемешиваемых компонентов необходимо обеспечить интенсивное
перераспределение.
Исследователями доказано, что при определенных условиях шнековые
устройства обеспечивают перемешивание кормов. При этом полагают, что
вращающийся шнек эквивалентен непрерывной наклонной плоскости, по которой под
действием системы сил материал перемещается в постоянном объеме в виде постоянно
пересыпающегося тела волочения. Геометрические параметры этого тела зависят от
наполнения шнека, физико-механических свойств материала, параметров шнека и
режима работы. Приведенные Григорьевым A.M. наблюдения свидетельствуют о том,
что если угол α наклона элементарных площадок, образующих винтовую поверхность,
к горизонту будет примерно равен приведенному углу трения λ смеси о поверхность
шнека [α=(0,9-1,1)λ], то наступит момент, когда материал подхватывается
вращающимся шнеком и перемещается в определенную область на его поверхности.
Граница области, ее величина и форма зависят от коэффициентов заполнения и трения,
от диаметра и шага шнека и скорости его вращения. Частицы из критического
положения начинают сползать вниз по поверхности, образованной перемещающимися
другими частицами. Затем процесс повторяется снова. Рассмотрим условие, при
котором частица, достигнув критического положения, будет сползать вниз. На частицу,
находящуюся на лопасти-ноже нижнего выгрузного шнека, действует (рисунок 4,а,б)
сила тяжести mg, центробежная сила mω2R и сила Кориолиса Fк =2mωпVо sin(ωпVо).
ω
mω2Rsinφ
φ
а
б
m
g
mω2Rcosφ
mω2R
9
Рисунок 4 − Схема распределения сил, действующих на частицу,
на поверхности лопасти-ножа нижнего выгрузного шнека.
Разложим силу тяжести на силу нормального давления на лопасть-нож шнека mg
sinα и силу, касательную к лопасти-ножу шнека mg cosα, а центробежную силу mω2R
на силу нормального давления на лопасть-нож шнека mω2R cosφ cosα, где φ – угол
подъема частиц (φ = 65…75°). Сила нормального давления mg sinα вызывает силу
трения f mg sinα, а сила mω2R cosφ sinα – силу трения f mω2R cosφ sinα. Сила
Кориолиса направлена нормально к лопасти-ножу шнека и равна 2mωпVо sin(ωпVо),
где ωп – угловая скорость переносного движения материальной точки;
Vо – относительная скорость материальной точки (скорость скольжения по
винтовой поверхности).
В первом приближении примем, что ωп = ω,
V 
R 
R


 ; sin(ωпVо) = sin(90 - α), тогда сила Кориолиса будет
cos  t cos 
2mω2R и вызовет силу трения 2 f mω2R.
Сползание частиц возможно, если:
mg cosα + mω2R cosφ cosα ≥ f mg sinα + f mω2R cosφ sinα + 2fω2Rm ,
(1)
где m – масса частиц;
ω – угловая скорость шнека, 1/с;
R – радиус шнека;
f – коэффициент трения (движения) в слоях перемешиваемых частиц;
α – угол подъема винтовой линии.
Максимально допустимая скорость вращения шнека:
 max 
g  f sin   cos  
R cos  cos   f cos  sin   2 f
Производительность
шнекового
описывается уравнением (3):
Q 
смесителя
D2  d 2
S , кг/с,
2
(2)

периодического
действия
(3)
где D – наружный диаметр шнека, мм;
d – диаметр вала шнека, мм;
γ – плотность корма, кг/см3;
ψ – коэффициент производительности.
Коэффициент производительности ψ показывает величину той части объема
материала, которая движется к зоне разгрузки с каждым оборотом шнеков с лопастяминожами и которая определяет истинную производительность устройства. Коэффициент
производительности ψ зависит от формы частиц, коэффициента трения материала о
поверхность лопастей-ножей шнека и бункера раздатчика-смесителя кормов, от угла
естественного откоса, от параметров шнека, количества шнеков и режима работы.
Величина коэффициента производительности определяется экспериментально.
Известно, что
10
S = πD tg α, мм;
(4)
d = (0,2…0,25)D, мм.
(5)
Подставляя в уравнение (3) значение соответствующих параметров из
выражения(2), (4) и (5) и решая относительно D, имеем
D
Q
2 g ( f sin   cos  )
0,48gtg
cos  cos   f cos  sin   2 f
(6)
Полученные уравнения (2) и (6) позволяют определить по заданной
производительности шнекового смесителя кормов основные параметры шнековых
рабочих органов и режим их работы, при которых достигается максимальная
однородность смеси, сокращается зона смешивания, снижаются энергоемкость и
металлоемкость процесса.
Для смесителя с несколькими шнеками
Qn = n·Q ,
(7)
где n – количество шнеков.
Эффективность перемешивания можно повысить, создав в определенной зоне
шнека активное перемешивание мешалочного типа, то есть ввести лопасти-ножи.
Поэтому, вносимые
изменения в конструкцию нижнего выгрузного шнека
экспериментального смесителя-раздатчика кормов должны обеспечивать следующие
технологические требования:
лопасти-ножи
не должны препятствовать
передвижению массы корма по бункеру; лопасти-ножи должны обеспечивать хорошее
перемешивание кормов; лопасти-ножи должны обеспечивать хорошую и полную
выгрузку кормосмеси на выгрузной транспортер в зоне выгрузного окна. Все эти
требования можно попытаться выдержать геометрической формой лопасти-ножа и
углом их установки (рисунок 5). Исходя из этого, можно предположить, что зона, где
установлены лопасти-ножи должна: перекрывать сечение наружного диаметра шнека;
перекрывать зону выгрузного окна; лопасти-ножи устанавливаются с определенным
интервалом для повышения эффективности перемешивания при движении корма.
Наиболее технологично лопасти-ножи изготавливать из плоских листов стали, и
устанавливать под определенным углом γ (рисунок 5,а.) по отношению к осевой шнека.
11
Рисунок 5 − К расчету формы лопасти-ножа шнекового смесителя:
а – цилиндр; б – сегмент.
Тогда, из условия перекрытия сечения наружного диаметра шнека, лопасти-ножи
должны представлять сегменты эллипса, с размерами, зависящими от их количества
(рисунок 5, б).
 x  a cos 
 y  в sin 
Уравнение эллипса 
(8)
Поскольку, лопасти устанавливают в зоне выгрузного окна, в качестве исходных
данных для определения формы лопастей будем принимать: L – длина выгрузного
окна, мм; r – наружный радиус витков шнека, мм; n – количество лопастей-ножей, шт.
В простейшем случае форма лопасти-ножа будет представлять площадку
ограниченную линиями:
y0
y  tg  x
x0
  0
 x  a cos 
0<  <  0

 y  в sin 
Полагаем в = r, тогда
a
(9)
r
.
cos 
Условие перекрытия лопастями-ножами зоны выгрузного окна:
L = n·l1
(10)
где L – длина нижнего выгрузного шнека, мм;
l1 – проекция лопасти-ножа на ось шнека,
r
 tg .
l1
(11)
Условие перекрытия сечения наружного диаметра шнека лопастями-ножами:
nφ0 = 2π
(12)
Соотношения (9-12) являются исходными уравнениями для оптимизации формы
лопасти-ножа.
Как правило, в перемешивающих устройствах с прямыми лопастями, угол их
установки составляет γ = 45°.
Тогда расчетная зона выгрузного окна
L=n·r .
Расчетный угол сегмента:
0 
2
.
n
(13)
Экспериментальными исследованиями установлено, что из-за различия свойств в
кормосмеси оптимальная форма лопасти-ножа отличается от традиционой.
Программа алгоритма построения линий контура лопасти-ножа шнекового
смесителя-раздатчика кормов. Программа «fline.exe» реализует алгоритм построения
линий контура лопасти-ножа, которая может применяться в механизмах для сме-
12
шивания сыпучих или вязких веществ. В его основе используется уравнение линии в
полярных координатах:
r  r0
dn
n
+

0
n
 1,
(14)
где
r0 = (r1 + r2)/2 , d = (r1 - r2)/2
r1, r2 – внешний и внутренний радиусы;
φ0 – угол сектора, содержащего контур половины лопасти.
Параметр n ≥ 1 определяет форму линии.
В частном случае n=2 линия (1) представляет собой эллипс, деформированный
путем замены прямоугольных координат в его каноническом уравнении:
2
x2 y
+
=1
a2 b 2
(15)
(r - r0)/d = х/а , φ/φ0 = y/b ,
(16)
на полярные r и φ,
что и приводит к уравнению (14).
Программа выводит контур в координатах r и φ, при этом r измеряется в
относительных единицах (где внешний радиус r1 принят равным 100), а полярный угол
φ – в градусах. Значения параметра n могут варьироваться в диапазоне от 1 до 4.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований»
представлены программа и задачи экспериментальных исследований смесителяраздатчика кормов, описаны технические средства, оборудование, приборы и методика
проведения экспериментальных исследований.
Экспериментальные исследования включают методики: планирования и
постановки опытов; исследования физико-механических свойств компонентов кормов
и кормосмеси: влажность, насыпная (объемная) масса, фракционный состав,
коэффициентов трения; факторы, определяющие технологический процесс и уровни их
варьирования; оценки качества смешивания; определения требуемой мощности и
удельной энергоемкости процесса смешивания. Опыты проводились на
экспериментальном смесителе кормов (рисунок 6).
В соответствии с поставленной задачей экспериментальные исследования
выполняли по следующей программе:
1) определение конструктивных особенностей нижнего выгрузного шнека
смесителя-раздатчика кормов, обеспечивающего приготовление качественной
кормосмеси с минимальным расходом энергии;
2) исследование качественных и энергетических показателей процесса
смешивания при разных режимах загрузки компонентов кормов и работы смесителя;
3) проведение экспериментальных исследований с целью оптимизации основных
параметров и режимов работы смесителя кормов для приготовления кормосмеси
крупному рогатому скоту.
Лопасть имеет особую поверхность с углом перегиба 30-35° в передней своей
части, причем направление изгиба криволинейного участка лопасти-ножа совпадает с
13
направлением ее перегиба, на ее верхней поверхности выполнены пазы. В пазах
установлены дисковые ножи, закрепленные посредством винтов.
а
б
в
г
д
е
Рисунок 6 – Смеситель-раздатчик кормов:
а – общий вид; б – вид сбоку; в – нижний выгрузной шнек; г – вид А-А; д – вид Б-Б;
е – лопасть-нож смесителя-раздатчика кормов (в сборе и в разобранном виде);
1 – бункер; 2, 3 – шнеки; 4, 5 – навивка витков; 6 – выгрузное окно; 7 – заслонка; 8 –
выгрузной транспортер; 9 – вал; 10 – лопасть-нож; 11 – лопасть; 12, 16 – верхняя и
передняя поверхность; 13, 17 – паз; 14 – нож; 15 – винт.
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ»
приведены результаты экспериментальных исследований смесителя: физикомеханические характеристики кормосмеси и ее компонентов (влажность, насыпная
(объемная) масса, фракционный состав, коэффициенты трения); факторы,
определяющие технологический процесс и уровни их варьирования; оценка качества
смешивания; значения критериев оптимизации требуемой мощности, удельной
14
энергоемкости процесса смешивания, неоднородности смеси и производительность
смесителя; анализы результатов исследований и даны предложения по их
использованию.
В качестве параметров, с помощью которых оценивался объект исследований,
приняли требуемую мощность (N) на привод, удельную энергоемкость (q) процесса
смешивания компонентов кормов, неоднородность смеси (ν) и производительность
смесителя (Q). В процессе эксперимента был принят 3-х уровневый план БоксаБенкина второго порядка. Обработка результатов эксперимента велась с помощью
программ Statistica 6.0 и инструмента «Регрессия» пакета «Анализ данных» MS Excel.
При расчетах выяснено, что мощность на приводе N не зависит от времени
смешивания t.
Уравнение линейной регрессии зависимости мощности на приводе N от угловой
частоты вращения шнека ω и угла установки лопасти-ножа  .
По результатам вычислений составим уравнение множественной регрессии
вида:
N = 188,092 – 4,61607∙ω – 8,06378∙α-0,0657778∙t + 1,10252∙ω2 + 0,116065∙ω∙α +
+ 0,00813871∙ω∙t + 0,0884∙α2 +0,000133333∙α∙t + 0,000133333∙t2
Графически зависимость мощности на приводе N от угловой частоты вращения
шнека ω и угла установки лопасти-ножа  приведена на рисунке 7.
N
α
ω
Рисунок 7 – Зависимость мощности N на приводе от угловой частоты вращения шнека
ω и угла  установки лопасти-ножа
Из рисунка 7 видно, что минимальная мощность на приводе N min (0,94;40)  5,86
кВт будет при угловой частоте вращения шнека   0,94 c-1 и угле установки лопастиножа  =400, а максимальная N max (2,83;50)  16,11 кВт будет при угловой частоте
вращения шнека   2,83 c-1 и угле установки лопасти-ножа  =500. Уравнение
регрессии зависимости удельной энергоемкости q от угловой частоты вращения шнека
 , угла установки лопасти-ножа  и продолжительности смешивания кормов t
получено в квадратичной форме.
По результатам вычислений составим уравнение множественной регрессии
вида:
15
q = 16,1014 - 2,08404∙ω- 0,619111∙α-0,147022∙t + 0,171857∙ω2 + 0,0307856∙ω∙α+
+ 0,0173036∙ω∙t + 0,00593333∙α2 +0,00456667∙α∙t - 0,00339333∙t2
Графически зависимость удельной энергоемкости q от угловой частоты
вращения шнека  , угла установки лопасти-ножа  и времени смешивания кормов t ,
полученная в квадратичной форме, приведена на рисунке 8.
Из рисунка 8 видно, что минимальная удельная энергоемкость при
продолжительности смешивания кормов t=5 мин. qmin (1,884;45)  0,08 кВт∙ч/т будет
при угловой частоте вращения шнека   1,884 с-1 и угле установки лопасти-ножа
 =450, а максимальная qmax (27;50)  0,33 кВт∙ч/т будет при угловой частоте вращения
шнека   2,826 с-1 и угле установки лопасти-ножа  =500.
q
α
ω
Рисунок 8 – Зависимость удельной энергоемкости q от угловой частоты вращения
шнека  , угла установки лопасти-ножа  и времени смешивания кормов t
В пятом разделе «Результаты производственной проверки. Экономическая
эффективность применения шнекового смесителя-раздатчика кормов» приведены
результаты расчета экономической эффективности (таблица 1).
Расчет экономической эффективности проводили на основании результатов
хозяйственных испытаний в соответствии с методикой определения экономической
эффективности сельскохозяйственных машин. В результате расчетов установлено, что
экономический эффект от использования смесителя-раздатчика кормов составит (в
ценах 2009 года): за срок службы 961379,2 руб., за год 120172,40 руб. при производстве
2250 т кормосмеси.
Таблица 1 – Показатели экономической эффективности результатов исследования
Варианты
Показатели
Базовый
Проект
Балансовая стоимость оборудования – всего, руб.
2228279
2195465
Удельные капиталовложения, руб./т
990,35
975,76
Годовые эксплуатационные издержки, руб.
1054629,4 939379,1
Затраты труда на приготовление 1т кормосмеси, чел∙ч/т
0,44
0,28
Годовая экономия эксплуатационных издержек, руб.
115250,30
16
Годовой экономический эффект, руб.
120172,40
17
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Скармливание крупному рогатому скоту корма в виде смеси различных
компонентов на 10…25% увеличит продуктивность животных, на 15…20% снизит
расход кормов на единицу продукции и существенно снижает удельный расход
энергии. Совершенствования смесителей, их рабочих органов и в целом процесса
смешивания – главное направление исследования для повышения эффективности
приготовления кормов для крупного рогатого скота.
2. Для получения более обоснованных результатов при оценке процесса
смешивания исследования проводились по трем основным направлениям:
– определения физико-механических характеристик кормовых компонентов и их
смеси;
– обоснование оптимальных конструктивных и режимных параметров шнекового
смесителя;
– оценка энергетических и качественных показателей процесса смешивания.
3. Получена математическая модель движения смеси в объемных смесителях
шнекового типа, учитывающая конструктивные особенности рабочих органов
смесителя, физико-механические свойства кормов и режимы работы смесителя
(1,2…7).
4. Теоретический анализ процесса приготовления кормовой смеси показал, что
минимизация энергозатрат может быть достигнута оптимизацией угла установки
лопастей-ножей нижнего выгрузного шнека смесителя, который составляет α = 40º, 45º,
50º. Обоснована форма лопастей-ножей шнека, обеспечивающая лучшее перемешивание
смеси, благодаря особой форме поверхности лопасти и перегиба в ее средней части.
Предложен алгоритм построения линий контура лопасти-ножа.
5. В результате экспериментальных исследований установлено, что в пределах
производственных испытаний наибольшую влажность 82% имела кормовая свекла,
силос – 77,3%, сено – 13%, солома – 14% и кормовая смесь – 70,4%.
Насыпная (объемная) масса компонентов кормов и кормосмеси в целом зависит
от фракционного состава, который меняется в процессе работы смесителя:
– насыпная (объемная) масса компонентов кормов после воздействия на них
рабочих органов (шнеки с лопастями-ножами) смесителя увеличивается: силоса – на
17%, сена – на 31, соломы – на 23 и кормовой свеклы – на 3%;
Установлено, что коэффициент внутреннего трения в два раза больше
коэффициента внешнего трения. Это позволяет утверждать, что значительная часть
энергии расходуется на преодоление внутреннего трения, то есть на перемещение
кормов в процессе смешивания. Степень однородности кормовой смеси в условиях
опыта составила 89-94%.
6. Численный анализ регрессионных моделей позволил выявить следующее:
– минимальная мощность на приводе N min (0,94;40)  5,86 кВт будет при угловой
частоте вращения шнека   0,94 c-1 и угле установки лопасти-ножа  =400, а
максимальная N max (2,83;50)  16,11 кВт будет при угловой частоте вращения шнека
  2,83 c-1 и угле установки лопасти-ножа  =500.
– минимальная удельная энергоемкость при времени смешивания кормов t=5
мин. qmin (1,884;45)  0,08 кВт∙ч/т будет при угловой частоте вращения шнека   1,884
18
с-1 и угле установки лопасти-ножа  =450, а максимальная qmax (27;50)  0,33 кВт∙ч/т
будет при угловой частоте вращения шнека   2,826 с-1 и угле установки лопасти-ножа
 =500.
– минимальная производительность Qmin (0,94;15)  8,72 т/ч будет при угловой
частоте вращения шнека   0,93 с-1 и времени смешивания кормов t =15 мин, а
максимальная Qmax (2,83;5)  22,72 т/ч будет при угловой частоте вращения шнека
  2,83 с-1 и времени смешивания кормов t =5 мин.
– минимальная неоднородность смеси при времени смешивания кормов t=10
мин.  ñ,min (2,826;45,5)  2,71% будет при угловой частоте вращения шнека   2,826 с-1
и угле установки лопасти-ножа  =45,50, а максимальная  ñ,max (0,942; 40)  6,76% будет
при угловой частоте вращения шнека   0,942 с-1 и угле установки лопасти-ножа
 =400.
– установлено, что с увеличением частоты вращения рабочих органов смесителя
кормов при холостом и рабочем режимах работы требуемая мощность на их привод
возрастает по параболической зависимости.
7. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого смесителяраздатчика кормов составит 120172,4 рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
I. Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Воронцов С.И., Воронцов И.И. Мобильный кормоприготовительный агрегат //
Механизация и электрификация сельского хозяйства, №11, 2008.- С. 27-28.
2. Воронцов С.И., Воронцов И.И. Разработка средств механизации приготовления
и раздачи кормосмеси животным // Механизация и электрификация сельского
хозяйства, №12, 2008.- С. 40-41.
3. Воронцов С.И. Теоретическое обоснование формы лопасти-ножа раздатчикасмесителя кормов // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №4, 2009.- С.
20-22.
II. Публикации в периодических изданиях
1. Воронцов И.И., Казиев Ш.М., Воронцов С.И. Агрегат для приготовления и
раздачи кормов // Сборник научных трудов: Инновационный путь развития АПК –
магистральное направление научных исследований для сельского хозяйства. Т.3. Издво ДонГАУ.– пос. Персиановский, 2007.– С. 108-110.
2. Воронцов С.И., Воронцов И.И. Новая технология приготовления и раздачи
кормосмеси мобильными агрегатами // Сборник трудов: Исследование, разработка и
применение высоких технологий в промышленности. Т.12.– Санкт-Петербург, 2008.–
С. 346-350.
3. Воронцов С.И. Совершенствование процесса приготовления и раздачи
кормосмеси животным // Сборник научных трудов. Ч 3.– Кормопроизводство.
Кормление сельскохозяйственных животных.– Брянск: БГСХА, 2008.– 152 С.
19
4 Воронцов С.И. Обоснование параметров рабочих органов раздатчика-смесителя
кормов // Инновационные пути развития животноводства. Сборник научных трудов.
КЧГТА. Изд-во Сервисшкола.– Ставрополь, 2009.– С. 238-240.
5. Диков А.Ю., Воронцов С.И., Воронцов И.И. Устройство для кормления
животных // Инновационные пути развития животноводства. Сборник научных трудов.
КЧГТА. Изд-во Сервисшкола.– Ставрополь, 2009.– С. 240-241.
6. Токова Ф.М., Воронцов С.И., Казиев Ш.М., Воронцов И.И. Обоснование
применения
раздатчиков-смесителей
кормов
и
современные
требования,
предъявляемые к ним // Инновационные пути развития животноводства. Сборник
научных трудов. КЧГТА. Изд-во Сервисшкола.– Ставрополь, 2009.– С. 473-476.
III. Патенты
1. Патент на изобретение №2181937 РФ, кл. А 01 F 29/00, В 28 С 5/12. Лопастьнож
смесителя / И.И. Воронцов,
В.М.Горлов,
Ю.Н.Бойко,
А.А. Лаптиев,
В.А. Сидельников, С.И. Воронцов. Опубл. 10.05.2002. Бюл. №13.
2. Патент на полезную модель №33842 РФ, кл. А 01 К 5/02, 5/00. Кормораздатчик
/ И.И. Воронцов, С.С. Дурнев, С.И. Воронцов. Опубл. 20.11.2003. Бюл. №32.
3. Патент на полезную модель №81037 РФ, кл. А 01 К 5/00. Устройство для
кормления животных / И.И. Воронцов, С.И. Воронцов, А.Ю. Диков. Опубл. 10.03.2009.
Бюл. №7.
4. Патент на изобретение №2379885 РФ, кл. А 01 K 5/00. Раздатчик-измельчитель
грубых кормов рулонной заготовки / И.И. Воронцов, С.И. Воронцов, Н.Ю. Сарбатова,
К.А. Бадахов. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.