22 Механизация приготовления кормов

Для получения материалов данных работ обращайтесь к администраторам через соц. сеть https://vk.com/studbazar или по электронной почте studbazar@mail.ru.

1.2.2 Анализ конструкций плющилок фуражного зерна

Типичные схемы вальцовых измельчителей зерна представлены на рисунке 1.9. При применении в качестве рабочих органов гладких вальцов, вращающихся навстречу друг другу, вальцовую машину называют плющилкой зерна, а получаемый продукт – хлопьями. При применении в качестве рабочих органов рифленых вальцов, машину называют вальцовым измельчителем, а из пропущенного через них зерна получается дерть или мука [38].

Рисунок 1.9 Конструктивно-технологические схемы вальцовых машин: а) – двухвальцовая с внешним контактом вальцов; б) – двухвальцовая с внутренним контактом вальцов; в) – двухстадийная трехвальцовая с внешним контактом вальцов; г) – двухстадийная четырехвальцовая с внешним контактом вальцов: , , , – угловые скорости соответственно первого, второго, третьего и четвертого вальцов, с^-1

Наиболее простыми по устройству и организации рабочего процесса являются плющилки с внешним контактом рабочих поверхностей вальцов. Такие плющилки обычно состоят из рамы 1, установленных на ней в подшипниковых опорах вальцов 2 с механизмом регулировки толщины получаемых хлопьев 3, электродвигателя 4, механизма привода вальцов 5 и бункера 6 с дозирующим устройством 7 (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 Конструкция двухвальцовой плющилки зерна: 1 – рама; 2 – вальцы; 3 – механизм регулировки межвальцового зазора; 4 – электродвигатель; 5 – клиноременная передача; 6 – бункер; 7 – устройство дозирующее

По данной схеме разработано множество отечественных и зарубежных плющилок производительностью от 200 до 5000 кг/ч. Примерами таких машин являются плющилка ПЗ-1, ПЗ-600, вальцовый агрегат для плющения зерна Фермер АПЗ-02М, плющилки Sipma серий ATLAS, Murska, RomiLL и многие другие (рисунок 1.11) [1,5,12,17,20,21,23,28].

Рисунок 1.11 Общий вид вдухвальцовых плющилок: а — плющилка ПЗ-1, б — плющилка ПЗ-600, в — вальцовый агрегат для плющения зерна Фермер АПЗ-02М, г — плющилка Sipma серий ATLAS ZP4030, д – плющилка Murska 220 SM, е – плющилка RomiLL Т1000

Среди вальцовых плющилок широкое распространение получили двух- и трехступенчатые лющилки, имеющие в своей конструкции 3 и более вальца. В качестве примера машины такой конструкции рассмотрим плющилку Nоrd Mills GW 300 [20,21,28,29]. Данная плющилка в своей конструкции содержит имеет 1, загрузочный бункер 2 с заслонкой, верхнюю пару гладких вальцов 3, приводимых в движение электродвигателем 4 и нижнюю пару рифленых вальцов 5, приводимых в движение электродвигателем 6 (рисунок 1.12). Применение двухстадийного измельчения способствует на первой стадии созданию предразрушающих нагрузок несколько выше упругих деформаций, что приводит к лучшим условиям на второй стадии – снижение вибраций и затрат энергии.

Рисунок 1.12 Плющилка Nоrd Mills модели GW 300: а – вид общий; б – конструктивные особенности; 1 – рама; 2 – бункер; 3 – пара гладких вальцов первой ступени; 4, 6 – электродвигатель; 5 – пара рифленых вальцов второй ступени

Оригинальную конструкцию имеют плющилки с внутренним контактом вальцов. В качестве примера таких машин рассмотрим плющилки по пат. РФ № 2480285 и №77560 (рисунок 1.13). Такие плющилки, как правило, состоят из рамы 1, электродвигателя 2, клиноременной передачи 3 для передачи вращения на обечайку 4, вращающуюся в подшипниковых опорах. Внутри обечайки 4 также в подшипниковых опорах установлен валец 5, снабженный механизмом 6 регулировки положения относительно обечайки с целью изменения толщины хлопьев зерна. Для подачи зерна имеется бункер 7 с дозирующим устройством 8, снабженный питающим устройством 9 в виде желоба. Зерно, пройдя через зону плющения, образованную в месте контакта наружной поверхности вальца и внутренней поверхности обечайки, подвергается сжимающему воздействию и в виде хлопьев выходит из зоны контакта вальцов [18,26,27].

Применение машин с внутренним контактом вальцов способствует лучшему условию захвата зерна вальцами, но негативно для равномерной подачи материала в зону измельчения.

а)

б)

Рисунок 1.13 Конструкции плющилок по пат. РФ № 2480285 (а) и №77560 (б): 1 – рам; 2 – электродвигатель; 3 – клиноременная передача; 4 – обечайка; 5 – валец; 6 – механизм регулировки межвальцового зазора; 7 – бункер; 8 – заслонка; 9 – устройство питающее

Помимо вальцовых плющилок известны дисковые плющилки, рабочими органами которых являются плоские и конические диски. В качестве примера такой машины рассмотрим конструкцию плющилки по пат. РФ № 2332143 (рисунок 1.14) [15,19].

Рисунок 1.14 Конструкция дисковой плющилки зерна по пат. РФ №2332143: 1 – диск ведущий; 2 – диск ведомый; 3 – корпус; 4 – бункер; 5 – заслонка; 6 – отражатель; 7 – лоток выгрузной

Плющилка имеет в качестве рабочих органов ведущий 1 и ведомый 2 диски, размещенные в корпусе 3. Ведущий диск получает вращение от электродвигателя (не показан), а ведомый диск получает вращение от ведущего диска посредством трения дисков о зерно. Плющилка имеет загрузочный бункер 4 с заслонкой 5, из которого зерно поступает в зону плющения, образованную в месте контакта дисков. Препятствует выбросу зерна из зоны плющения отражатель 6. Хлопья плющеного зерна выводятся из зоны плющения через лоток 7 [15,19].

В Пензенском ГАУ предложена конструкция плющилки зерна с рабочими вальцами, выполненными в виде набора конических дисков. Плющилка состоит рамы 1, на которой в подшипниковых узлах установлены наборные из конических дисков вальцы 2, получающие вращение от электродвигателей 3 через клиноременные передачи 4. Над рабочими органами располагается бункер 5 с заслонкой, обеспечивающей дозированную подачу фуражного зерна у рабочим вальцам. Сбор хлопьев зерна осуществляется на выходе из лотка 6 (рисунок 1.15, а и б) [34,36].

Рисунок 1.15 Конструкция плющилки фуражного зерна с вальцами, выполненными в виде набора парных конических дисков: а – общий вид; б – механизм привода рабочих вальцов; 1 – рама; 2 – вальцы; 3 — электродвигатель; 4 – передача клиноременная; 5 – бункер; 6 – лоток выгрузной; в — конструкция рабочих вальцов, выполненных в виде набора конических дисков: 1, 2 – диски с коническими поверхностями; 3, 4 – валы рабочих дисков

Рабочие вальцы плющилки фуражного зерна (рисунок 1.15, в) представляют собой набор парных конических дисков 1 и 2, в зоне контакта которых образуется сужающее клиновое пространство с острым углом защемления (вид А), что является благоприятным условием для улучшения захвата фуражного зерна рабочими органами с гладкими рабочими поверхностями.

Таким образом, предлагаемая конструкция рабочих вальцов плющилки позволяет значительно увеличить загрузку вальцов, при этом уменьшив их диаметр и массу, что в совокупности с улучшением условий захвата зерна рабочими органами приведет к увеличению производительности плющилки и снижению энергоемкости плющения зерна [34,36].

1.3 Цель и задачи работы

На основании проведенного анализа состояния вопроса подготовки фуражного зерна к скармливанию сельскохозяйственным животным было выявлено, что в России и за рубежом существует большое количество технологических схем и оборудования для выполнения этого процесса. Основной причиной, по которой плющение зерна не является преобладающим способом подготовки зерна к скармливанию, является незначительное снижение энергоемкости процесса плющения сухого зерна по сравнению с измельчителями ударно-центробежного действия, а также проблемы, связанные со сложностью захвата исходного зернового материала, вызванные особенностями конструкций вальцовых плющилок, работающих по принципу сжатия зерна. В связи с этим дальнейшее развитие средств механизации плющения зерна должно идти в направлении повышения качества и снижения энергоемкости плющения, достигаемых увеличением времени воздействия рабочих органов на зерно и уменьшением массы и радиуса рабочих органов.

Также перспективным на наш взгляд является дальнейшее снижение энергоемкости плющения зерна, например путем повышения производительности за счет улучшения условий захвата зерна рабочими органами и повышения нормы загрузки, приходящейся на единицу рабочей длины вальца.

Поэтому целью работы является повышение эффективности плющения фуражного зерна совершенствованием конструкции плющилки.

Задачами работы являются:

1. Разработка конструктивной схемы, программы и методики экспериментальных исследований дисковой плющилки фуражного зерна и обработка результатов экспериментальных исследований;

2. Совершенствование конструкции дисковой плющилки фуражного зерна и расчет ее параметров;

3. Разработка мероприятий по техническому обслуживанию и нефтепродуктообеспечению дисковой плющилки фуражного зерна;

4. Расчет показателей экономической эффективности применения дисковой плющилки при подготовке фуражного зерна к скармливанию крупному рогатому скоту.

2.2 Описание конструктивной схемы лабораторного образца

дисковой плющилки фуражного зерна

Разработанная в Пензенском ГАУ конструкция дисковой плющилки зерна по пат. №157265 (рисунок 2.1, а) и изготовленный опытный образец плющилки (рисунок 2.1, б) состоят из рамы 1, на которой в подшипниковых опорах установлен состоящий из двух шарнирно соединенных валов ведущий вал 2, получающий крутящий момент через упругую муфту от электродвигателя 3 мощностью 2,2 кВт и частотой вращения вала 1500 мин^-1. Ведущий вал 2 передает крутящий момент на ведомые валы 4 и 5 посредством цепных передач. На ведомом валу 5 установлен конический диск 6, диаметром 220 мм. Плоский диск 8 диаметром 220 мм. установлен на шлицевом штоке 7, вставляемом в ведомый вал 4. Внутри трубчатого вала 4 устанавливается вал-шток 7 с возможностью осевого перемещения по шлицам. Плоский и конический диски прижимаются друг к другу под действием усилия, создаваемого пружиной 9. Над рабочими дисками на раме 1 установлен загрузочный бункер 10 с питающим устройством 11, на стыке между которыми установлена регулирующая заслонка. Вокруг рабочих органов установлен кожух 13, нижняя часть которого образует лоток для выгрузки хлопьев зерна.

Дисковая плющилка фуражного зерна работает следующим образом. В загрузочный бункер при закрытой заслонке засыпают фуражное зерно и включают электродвигатель, в результате чего рабочие органы приводятся во вращение. При достижении рабочими дисками требуемой частоты вращения открывают заслонку, обеспечив тем самым поступление фуражного зерна через питающее устройство в зону воздействия на него сжимающего усилия со стороны дисков, где под действием сил трения зерна о поверхности вращающихся дисков и сил тяжести зерно перемещается вниз и выводится из зоны плющения через лоток в виде хлопьев [22,31].

Рисунок 2.1 Плющилка фуражного зерна конструкции Пензенского ГАУ: а – конструктивная схема по пат. РФ №157265; б – опытный образец; 1 – рама; 2 – ведущий (промежуточный) вал; 3 – электродвигатель; 4, 5 – ведомые валы; 6, 8 – рабочие диски; 7 –штокшлицевой; 9 – пружина; 10 – загрузочный бункер; 11 – питающее устройство; 12 – выгрузной лоток; 13 – кожух дисков

Исследования процесса плющения зерна дисковыми рабочими органами производилось на лабораторной установке, схема которой представлена на рисунке 2.2. В качестве коммутационного устройства электродвигателя в лабораторной установке выступал частотный преобразователь. Измерение значений потребляемой электродвигателем мощности производилось ваттметром К-505 [35].

Рисунок 2.2 Схема лабораторной установки: 1 — ваттметр; 2 — частотный преобразователь; 3 — опытный образец дисковой плющилки

Для обеспечения варьирования конструктивных, кинематических и технологических параметров в конструкции лабораторной установки были предусмотрены такие конструктивные решения, как сменные рабочие органы, цепные передачи со сменными звездочками, гайка регулировки усилия поджатия дисков, обеспечиваемого пружиной. Таким образом, частота вращения ведущего вала изменялась посредством частотного преобразователя, соотношение частот вращения рабочих дисков изменялось сменой звездочек, величина усилия поджатия дисков изменялась вращением гайки, изменение угла при вершине конического диска осуществлялось сменой рабочих органов (рисунок 2.3) [35].

Рисунок 2.3 Конические диски с разными углами при вершине (слева направо 155, 160 и 165 градусов)

2.3 Программа и методика исследований рабочего процесса плющения фуражного зерна дисковыми рабочими органами

В соответствии с задачами работы основу программы экспериментальных исследований составляет изучение технологического процесса плющения зерна, определение оптимальных параметров и режимов работы плющилки зерна, а также получение первичной информации о работе плющилки в реальных условиях эксплуатации [6].

С учетом поставленных задач программа исследований включает:

— разработку и изготовление лабораторной установки для осуществления процесса плющения зерна, а также снятия и регистрации энергетических характеристик;

— исследование влияния конструктивно-технологических параметров и режимов работы дисковой плющилки зерна на показатели рабочего процесса плющения, обеспечивающих получение готовой продукции с лучшими качественными показателями, соответствующим зоотехническим требованиям, при максимальной пропускной способности с минимальной энергоемкостью процесса измельчения.

Исследования рабочего процесса плющения фуражного зерна дисковыми рабочими органами производятся в соответствии с требованиями: РД 10.19.2.-90, НТП-АПК 1.10.16.002.-03. Экспериментальные исследования проводятся по структурной схеме, показанной на рисунке 2.4 [6].

Рисунок 2.4 Структурная схема экспериментальных исследований рабочего процесса плющения фуражного зерна дисковыми рабочими органами

Объектом исследований является технологический процесс плющения фуражного зерна и контроль качества полученных в результате плющения зерна хлопьев. Основными показателями работы измельчителей зерна являются количественные, энергетические и качественные. Количественным показателем работы плющилки является ее производительность (кг/с, т/ч).

Производительность плющилки определяется из выражения:

, (2.1)

где М – масса навески хлопьев, кг;

Т – время сбора хлопьев, с.

Время сбора хлопьев контролируется секундомером, масса навески замеряется на лабораторных весах. Для исключения промахов принимается трехкратная повторность опытов.

Энергетическими показателями являются мощность (Вт), затрачиваемая на работу плющилки при ее номинальном режиме работы. Она замеряется комплектом КИ–505. Ее величина определяется мощностью, затрачиваемая на привод конструкции при отсутствии зерна в бункере (холостой ход) P_хх, Вт; и суммарной мощностью P, затрачиваемая на процесс плющения зерна рабочими органами, кВт.

Энергоемкость плющения зерна определяется по выражению (Дж/кг или кВт×ч/т):

, (2.2)

В соответствие с нормативными документами основными критериями качества плющения зерна являются модуль помола, средняя толщина хлопьев, коэффициент абсорбции и доля пылевидной фракции в готовом продукте, однако основным показателем является средняя толщина хлопьев.

Для определения средней толщины хлопьев измеряется штангенциркулем толщина 100 хлопьев и находится их среднее значение по выражению

, мм, (2.3)

где а_n – замеренная толщина хлопья, мм;

n – количество замеряемых хлопьев, шт.

Измерительное оборудование и инструмент, используемые при проведении лабораторных исследований, представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Применяемое оборудование для измерений физических величин

Параметр измерения	Наименование прибора, оборудования	Нормативный документ	Точность измерений
Толщина хлопьев	Штангенциркуль ШЦ-2	ГОСТ 166-80	0,1 мм
Время опыта	Секундомер	ГОСТ 5072-79В	±1,0 с
Частота вращения рабочих органов	Тахометр часового типа ТЧ-10-Р	ГОСТ 21339-75	±1,0 мин^-1
Масса навески хлопьев	Весы РН-10Ц13У	ТУ 25.06.575-77	±1,0 г
Потребляемая мощность	Измерительный комплект КИ-505	ГОСТ 7502-93	±0,5%

Лабораторные исследования процесса плющения зерна можно разделить на 5 стадий.

Первая стадия: отобранная партия зерна очищается от механических и растительных примесей, производится ее кондиционирование для достижения оптимальной влажности. Далее зерно засыпается в загрузочный бункер.

Вторая стадия: производится снятие электромеханических характеристик экспериментальной установки на холостом ходу. Устанавливается необходимое усилие поджатия пружины, частотным преобразователем задается частота вращения вала электродвигателя. Включается электродвигатель. Ваттметром, включенным в цепь питания лабораторной установки, фиксируется значение мощности, затраченной на привод плющилки.

Третья стадия: включается электродвигатель. Секундомером засекается 30-ти секундный интервал времени, одновременно с чем производится открытие заслонки. По истечении времени опыта производится закрытие заслонки и отключение питания электродвигателя. Зерно в виде хлопьев поступает в мерную емкость. Ваттметром фиксируется установившееся значение мощности, потребляемой электродвигателем установки.

Четвертая стадия: после завершения лабораторных экспериментов производится замер массы навески готового продукта, собранного в лотке за 30-ти секундный интервал времени работы плющилки, а также производится анализ качественных показателей готового продукта с целью оценки его соответствия зоотехническим требованиям.

Пятая стадия: производится определение часовой и секундной производительности лабораторной установки, определение энергоемкости процесса измельчения зерна в экспериментальной установке.

По ранее указанным методикам (производительность, затрачиваемая мощность привода, энергоемкость, модуль помола, средняя толщина хлопьев, коэффициент абсорбции, доля пылевидной фракции) определялись значения показателей работы плющилки [6].

Конструктивные и кинематические параметры плющилки, уровни варьирования факторов и критерии оценки процесса плющения фуражного зерна приведены в таблице 2.2 [6].

Таблица 2.2 Факторы, уровни их варьирования, показатели работы плющилки зерна при проведении исследований по оптимизации параметров плющилки

Факторы	Уровни варьирования факторов	Критерии оценки
Соотношение частот вращения дисков	0,9, 1, 1,1	Производительность Q, кг/ч
Угол при вершине конического диска, ^о	155, 160, 165	Средняя толщина хлопьев а, мм
Влажность фуражного зерна, %	10, 14, 18	Производительность Q, кг/ч; Энергоемкость Y, кДж/кг
Частота вращения дисков n, мин^-1	800; 950; 1100	Производительность Q, кг/ч; Энергоемкость Y, кДж/кг; Средняя толщина хлопьев а, мм
Усилие поджатия пружины, F, Н	700; 800; 900

2.4 Результаты исследований рабочего процесса

плющения фуражного зерна дисковыми рабочими органами

Обоснование соотношения частот вращения дисков проводилось с изменением двух параметров работы опытного образца плющилки – частоты вращения плоского диска и соотношения с ней частоты вращения конического диска [2,35].

Таблица 2.3 Данные исследований по определению оптимального соотношения частот вращения плоского и конического дисков

Частота вращения, мин^-1	Соотношение частот плоский/конический	Производительность, Кг/ч	Прирост/потеря производительности, %
800	0,9:1	130	-11%
800	1:1	150	—
800	1,1:1	133	-9%
900	0,9:1	155	-10%
900	1:1	175	—
900	1,1:1	159	-8%
1000	0,9:1	180	-10%
1000	1:1	200	—
1000	1,1:1	184	-8%

Результаты опытов приведены на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 Зависимость производительности плющилки от частоты вращения дисков при разном соотношении их частот вращения

На основании полученных данных сделан вывод, что производительность плющилки от соотношения частот вращения дисков, причем максимальная производительность соответствует равной частоте вращении дисков, т.е. предпочтительно соотношение частот вращения рабочих дисков 1:1.

Исследования по обоснованию значений угла при вершине конического диска (иллюстративный материал, слайд №9) показали, что при малом усилии поджатия предпочтителен угол при вершине конуса около 158…160°, но по мере роста усилия поджатия толщина хлопьев уменьшается, сдвигая предпочтительные значения угла при вершине к оптимальному значению 165° [2,35].

Рисунок 2.6 Зависимость толщины хлопьев зерна от угла при вершине конического диска и усилия сжатия

С целью определения оптимального значения влажности измельчаемого зерна для плющения его дисковыми рабочими органами проводились исследования с изменением влажности от 10 до 18% [2,35]. Результаты проведенных исследований приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Результаты опытов по выявлению влияния влажности зерна на показатели работы плющилки

Пшеница	Ячмень	Рожь
W,%	Q, Кг/ч	W,%	Q, Кг/ч	W,%	Q, Кг/ч
10	220	10	174	10	196
14	197	14	163	14	182
18	184	18	151	18	167

В виде графиков результаты представлены на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 Графики зависимости производительности плющилки (а) и энергоемкости плющения (б) от влажности зерна

По результатам опытов можно сделать вывод, что с повышением влажности зерна заметно снижается производительность дисковой плющилки, что приводит к росту энергоемкости процесса. Исходя из этого сделан вывод, что зерно влажностью 13…15 % является оптимальным для плющения дисковыми рабочими органами.

В результате реализации плана оптимизации параметров дисковой плющилки (таблица 2.2) были получены исходные данные, представленные в таблице 2.5. Статистическая обработка этих данных позволяет получить уравнения регрессии, описывающие влияние рассматриваемых изменяемых параметров на показатели работы плющилки и качества плющения зерна.

Таблица 2.5 Результаты проведения исследований по оптимизации параметров плющилки

n, мин^-1	Fо, Н	а, мм	Q, кг/с	Y, Дж/кг	Yk, Дж· мм/кг
800	700	1,06	0,048	16647	17646
950	700	1,1	0,054	14641	16032
1100	700	1,12	0,058	15517	17379
800	800	1,02	0,047	17893	18251
950	800	1,05	0,053	15728	16515
1100	800	1,07	0,057	16667	17833
800	900	0,98	0,045	19656	19263
950	900	1	0,051	17455	17455
1100	900	1,02	0,055	20000	20400

После статистической обработки исходных данных на ПК в приложении Statistica 2.0 получено выражение, описывающее толщину хлопьев в зависимости от исследуемых параметров — частоты вращения и силы сжатия дисков (рисунок 2.8, а) [3,4]:

a=0,811111+0,000856×n–0,00015×Fo –3,3×10^-7×n×Fo –2,2×10^-7×n². (2.4)

Коэффициент корреляции R=0,99, детерминации D=99,8%, F-тест=0,99.

Анализ коэффициентов регрессии свидетельствует о наибольшем влиянии на толщину хлопьев зерна частоты вращения рабочих дисков — с увеличением частоты вращения растет и толщина хлопьев. Несколько меньшее влияние на величину толщины хлопьев оказывает сила сжатия дисков, причем знак «минус», стоящий перед коэффициентом, свидетельствует о уменьшении толщины хлопьев при повышении силы сжатия. Влияние квадрата частоты вращения и совместное влияние обоих факторов незначительно снижают толщину хлопьев [2,35].

После статистической обработки исходных данных на ПК в приложении Statistica 2.0 получено выражение, описывающее производительность плющилки в зависимости от исследуемых параметров — частоты вращения и силы сжатия дисков (рисунок 2.8, б) [3,4]:

Q=0,00711+0,000118×n–1,5×10^-5×Fo. (2.5)

Коэффициент корреляции R=0,99, детерминации D=99,6%, F-тест=0,99.

Анализ коэффициентов говорит о наибольшем влиянии на производительность одного из параметров — частоты вращения дисков, причем зависимость прямо пропорциональная — увеличении производительности наблюдается с ростом частоты вращения дисков. Менее значительное влияние на производительность оказывает изменение силы сжатия дисков, причем с ростом силы сжатия дисков производительность снижается [2,35].

Рисунок 2.8 График зависимости толщины хлопьев от частоты вращения и усилия поджатия дисков (а) и график зависимости производительности плющилки от частоты вращения и усилия поджатия дисков (б)

После статистической обработки исходных данных на ПК в приложении Statistica 2.0 получено выражение, описывающее энергоемкость плющения зерна в зависимости от исследуемых параметров — частоты вращения и силы сжатия дисков (рисунок 2.9, а) [3,4]:

Y=129995,5-172,932×n–95,2284×Fo +0,024567×n×Fo +

+0,079496×n²+0,055667×Fo². (2.6)

Коэффициент корреляции R=0,98, детерминации D=97,8%, F-тест=0,97.

Анализ коэффициентов регрессии свидетельствует о высоком влиянии на энергоемкость процесса плющения зерна силы сжатия и частоты вращения. Знак «минус» свидетельствует о снижении энергоемкости плющения при повышении силы сжатия и частоты вращения дисков. Менее значительное влияние на рост энергоемкости процесса плющения оказывает квадрат, квадрат частоты вращения дисков и совместное действие данных параметров, причем с их ростом энергоемкость плющения повышается. Основной критерий оптимизации — наименьшая энергоемкость процесса плющения зерна — соответствует частоте вращения дисков 900…1050 мин^-1 при минимуме силы сжатия. Однако толщина хлопьев при этом не удовлетворяет зоотехническим требования (составляет более 1 мм), поэтому мы вынуждены искать компромиссное рациональное значение исследуемых параметров. Для этого введем обобщенный показатель – энергоемкость, откорректированную с учетом толщины хлопьев, Дж·мм/кг [2,35]:

Yk=а×Y. (2.7)

После статистической обработки исходных данных на ПК в приложении Statistica 2.0 получено выражение, описывающее введенный обобщенный показатель в зависимости от исследуемых параметров — частоты вращения и силы сжатия дисков (рисунок 2.9, б) [3,4]:

Yk=129302,849-169,7674×n–91,515×Fo+0,0234×n×Fo (2.8)

Коэффициент корреляции R=0,97, детерминации D=95,8%, F-тест=0,95.

Рисунок 2.9 График зависимости энергоемкости плющения от частоты вращения и усилия поджатия дисков (а) и график зависимости скорректированной энергоемкости плющения от частоты вращения и усилия поджатия дисков (б)

Анализ коэффициентов регрессии свидетельствует о высоком влиянии на обобщенный показатель энергоемкости плющения зерна с учетом толщины хлопьев обоих параметров — силы сжатия и частоты вращения. Причем, как и в предыдущем выражении, знак «минус» свидетельствует о снижении приведенной энергоемкости с учетом толщины хлопьев при повышении силы сжатия и частоты вращения дисков. Менее значительное влияние на рост обобщенного показателя оказывает совместное действие данных параметров, причем с их ростом энергоемкость с учетом толщины хлопьев повышается.

Внешний вид графиков энергоемкости и скорректированной энергоемкости с учетом толщины хлопьев позволяет говорить о том, что их тенденции совпадают, значит попытка отыскания критерия оптимизации в результате реализации плана оптимизации параметров дисковой плющилки не удалась.

На основании вышеизложенного, мы вынуждены на участке соблюдения зоотехнических требований по толщине хлопьев отыскать параметры с меньшими значениями энергоемкости, т.е. находить рациональное значение параметров. Минимум энергоемкости процесса соответствует частоте вращения дисков 900…1000 мин^-1, однако регламентированная зоотребованиями толщина хлопьев соответствует наибольшей силе сжатия дисков и по возможности меньшей частоте вращения. В свою очередь, с увеличением частоты вращения дисков возрастает производительность плющилки. Для обеспечения толщины хлопьев 1,0 мм плющилка должна иметь частоту вращения дисков около 900 мин^-1 и силу сжатия дисков 900 Н. При увеличении частоты вращения дисков до 1000 мин^-1, толщина хлопьев составит 1,1 мм, а производительность плющилки по сравнению с предыдущим значением увеличится на 10% при равной энергоемкости. Таким образом, рациональными являются значения силы сжатия 900 Н и частота вращения дисков 1000 мин^-1, обеспечивающие толщину хлопьев 1…1,1 мм и производительность плющилки 200 кг/ч с энергоемкостью процесса плющения около 5 кВт×ч/т (18000 Дж/кг).

2.5 Предложения по совершенствованию конструкции

дисковой плющилки фуражного зерна

В результате проведения исследований рабочего процесса разработанной в Пензенском ГАУ конструкции дисковой плющилки зерна по пат. №157265 и изготовленного лабораторного образца плющилки коллективом авторов были сделаны заключения об оптимальной работе дисковых рабочих органов при плющении сухого фуражного зерна с точки зрения лучших по сравнению с вальцовыми рабочими органами показателей качества плющения, условий захвата зерна рабочими органами и низких показателей энергоемкости процесса плющения.

В то же время, в результате проведения исследований были выявлены и недостатки данной конструкции, связанные со сложностями ввода исходного фуражного зерна в зону захвата его дисками ввиду малой ширины клинового пространства зоны плющения, образованной плоским и коническим дисками, и со сложным приводом синхронно вращающихся дисков через промежуточный вал 2. С целью дальнейшего устранения выявленных в ходе проведения исследований рабочего процесса недостатков предлагается усовершенствованная конструкция дисковой плющилки фуражного зерна (рисунки 2.10…2.12).

Рисунок 2.10 Конструкция привода рабочих органов предлагаемой плющилки фуражного зерна: 1 – рама; 2 – направляющая поперечная; 3, 4 – вал; 5 – электродвигатель; 6 – передача клиноременная; 7 – диски рабочие конические

Предлагаемая конструкция плющилки зерна состоит из рамы 1 сварной конструкции, выполненной из профильной трубы прямоугольного и квадратного сечения, на которой смонтированы поперечные направляющие 2, также сварной конструкции, выполненные из профильной трубы прямоугольного сечения. На поперечных направляющих 2 на подшипниковых опорах размещаются валы 3, 4 и электродвигатели 5. Электродвигатели 5 передают крутящий момент на приводные валы 3 и 4 посредством клиноременных передач 6, в результате чего рабочие конические диски 7, закрепленные на приводных валах 3 и 4, синхронно вращаются навстречу друг другу с одинаковой частотой вращения. Рабочие конические диски 7 находятся в постоянном контакте, прижимаясь друг к другу с усилием, обеспечиваемым пружиной сжатия.

Также на раме 1 сверху над рабочими коническими дисками размещен загрузочный бункер 8 посредством опор 9 (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 Конструктивные особенности предлагаемой плющилки: а – без бункера и питающего устройства; б – с бункером и питающим устройством; 8 – бункер; 9 – опора бункера; 10 – устройство питающее; 11 – ручка привода заслонки питающего устройства

Дно бункера имеет форму перевернутой усеченной пирамиды, малое основание которой соединяется с питающим устройством 10, выполненным из профильной трубы прямоугольного сечения. Питающее устройство 10 оснащено поворотной заслонкой, приводимой в движение посредством рукоятки 11.

Электродвигатели 5, клиноременные передачи 6 и валы 3 и 4 закрыты кожухами 12, рабочие конические диски 7 закрыты кожухом 13, нижняя часть которого является выгрузным лотком 14 (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 Общий вид предлагаемой плющилки зерна: а – вид слева; б – вид справа; 12 – кожух вала, электродвигателя и клиноременной передачи; 13 – кожух рабочих конических дисков; 14 – лоток выгрузной

Предлагаемая плющилка работает следующим образом. В бункер 8 при закрытой заслонке загружают фуражное зерно, включают электродвигатели и открывают заслонку, обеспечив подачу исходного зерна в зону плющения, образованную в месте контакта рабочих конических дисков 7. Фуражное зерно захватывается рабочими коническими дисками и, проходя через зону контакта дисков, подвергается их сжимающему воздействию, в результате чего на выходе из зоны плющения образуются хлопья фуражного зерна толщиной около 1 мм. Кожух13, охватывающий рабочие диски, препятствует разбрасыванию фуражного зерна и хлопьев, а выгрузной лоток 14 способствует упрощению процесса сбора хлопьев в тару. После завершения работы плющилки выключают электродвигатели и закрывают заслонку питающего устройства 10.

Предлагаемые конструктивные изменения позволят по сравнению с прототипом добиться следующих результатов:

— повысить производительность плющилки за счет улучшения условий ввода исходного фуражного зерна в зону плющения ввиду применения в конструкции двух конических дисков вместо парных плоского и конического дисков;

— снизить потери мощности на привод рабочих конических дисков и упростить конструкцию механизма их привода за счет применения двух электродвигателей и клиноременных передач вместо одного электродвигателя, промежуточного вала и двух цепных передач.

Таким образом, предлагаемые мероприятия по совершенствованию конструкции плющилки с дисковыми рабочими органами позволят повысить эффективность ее работы по сравнению с прототипом.

2.6 Расчет параметров дисковой плющилки зерна

2.6.1 Технологический расчет параметров дисковой плющилки

На основе результатов теоретического обоснования параметров дисковой плющилки осуществлен компьютерный расчет рабочего процесса плющения зерна, используя компьютерную программу MathCAD. Результаты расчетов приведены ниже [35,40].

Производительность плющилки, кг/с [35,40]

(2.9)

где ω — угловая скорость, рад/с;

Rp –рабочий радиус диска, м;

Ro — минимальный рабочий радиус, Ro=0,032 м,

ψo — угол при вершине конических дисков, ψo=165 град.,

Kv — дифференциал скорости зерна;

Δ — зазор между дисками, м;

Ψ — степень заполнения междискового пространства, Ψ=0,1…0,2,

ρ — плотность материала зерна, для зерна ячменя ρ=1140 кг/м³.

Угловая скорость, рад/с

(2.10)

где n — частота вращения дисков, n=1000 мин^-1.

Рабочий радиус диска, м

(2.11)

где ΔL — запас радиуса у края конуса, ΔL=0,015 м;

R — наружный радиус конического диска, R=0,15 м,

Rp=0,135 м.

Дифференциал скорости

Kv= (2.12)

Kv=1,009

Зазор между дисками, м

, (2.13)

где a — требуемая толщина хлопьев, a=0,001 м;

kx — коэффициент расширения хлопьев, kx=1,2 [35].

м.

Подставив известные значения в выражение (2.9), получим

Q_Σ=0,088 кг/с

3600Q_Σ=319,8 кг/ч.

Мощность привода плющилки, Вт [35,40]

Рпр=Рр +Рс+ Pt + Pi + Ро +Рхх (2.14)

где Рр – затраты мощности на разгон зерна, Рр=2,6 Вт [35];

Рс – затраты мощности на сжатие, Рс=857 Вт [35];

Pt – затраты мощности на трение дисков о зерно, Pt=18,4 Вт [35];

Pi – затраты мощности на преодоление сил инерции, Pi=6,7·10^-3 Вт [35];

Ро – затраты мощности на очистку дисков, Ро=0,56 Вт [35];

Рхх — затраты мощности на холостой ход, Рхх=450 Вт [35],

Подставив известные значения в выражение (2.14), получим

Рпр=1329 Вт.

Потребная мощность двигателя, Вт

Рдв=Рпр ·(1+ Кр), (2.15)

где Кр — коэффициент запаса мощности, Кр=0,3 [35]

Рдв=1728 Вт.

Энергоемкость плющения, кВт·ч/т

Y= (2.16)

Y=5,4 кВт·ч/т.

На основании результатов расчета параметров дисковой плющилки принимаем для привода рабочих органов два электродвигателя мощностью по 1 кВт.

2.6.2 Проектировочный расчет пружины сжатия

Проектировочный и проверочные расчеты пружины растяжения выполняем в приложении Компас 3D «Механика. Расчет и построение пружин». Расчет выполняется по методике ГОСТ 13765-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Обозначение параметров, методика определения размеров» [9,16,25].

Методика выполнения расчетов и их результаты представлены на рисунках 2.13, 2.14. и в таблице 2.6. В результате выполненных расчетов получена 3D пружины растяжения и ее характеристики в виде графика (рисунок 2.14) [16,25].

Задаем исходные данные, выбираем соответствующий пункт расчета – сначала производим проектный, а затем проверочный расчет (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 Выполнение расчета пружины растяжения в приложении Компас 3D «Механика. Расчет и построение пружин»: а – окно ввода исходных данных; б – окно проверочного расчета

В результате выполнения расчетов получены значения параметров пружины растяжения, представленные в таблице 2.6. Полученная 3D модель пружины растяжения и ее характеристики в виде графика представлены на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 Полученная 3D модель пружины растяжения (а) и ее характеристики в виде графика (б)

Таблица 2.6 Результаты проектного и проверочного расчета пружины

2.6.3 Расчет клиноременной передачи

Проектировочный клиноременной передачи произведем с помощью соответствующего приложения Gears «Механика» программы Компас 3D. Выбираем раздел «Механика» и далее «Валы и механические передачи 3D» (рисунок 2.15) [16,25].

Рисунок 2.15 Менеджер библиотек программы Компас 3D

В открывшемся окне контекстного меню «Механические передачи» выбираем – «Клиноременная передача» (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 Приложение «Механические передачи»

Нажимаем кнопку Расчет на Панели свойств. В открывшемся окне (рисунок 2.17) выбираем Проектный расчет.

Рисунок 2.17 Расчет клиноременной передачи

В открывшемся окне вводим исходные параметры геометрического расчета клиноременной передачи. Результаты проектного расчета параметров клиноременной передачи представлены в таблице 2.7, проверочного расчета – в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Проектный расчет клиноременной передачи

Наименование и обозначение параметра	Шкив ведущий	Шкив ведомый
Исходные данные
Предварительное передаточное отношение	u_o	2
Предварительное межцентровое расстояние, мм	a_o	200
Передаваемая мощность, кВт	N	1
Частота вращения ведущего шкива, об/мин	n₁	1500
Коэффициент динамичности нагрузки и режима работы	k_f	1
Тип ремня	—	кордшнуровой
Определяемые параметры
Диаметр шкива, мм	d_p	63	125
Действительное передаточное отношение	u	2,004
Действительное межцентровое расстояние, мм	a	205
Обозначение ремня	—	Z ГОСТ 1284.1-89
Длина ремня, мм	L	710
Количество ремней	z	2
Окружная скорость, м/с	v	4,948	4,899
Угол канавки шкива	α	34°00′	38°00′
Наружный диаметр шкива, мм	d_в	68	130
Глубина канавок шкива, мм	h+b	9,5	9,5
Ширина канавки по наружному диаметру шкива, мм	b₁	10,029	10,222
Расстояние между осями канавок, мм	e	12	12
Расстояние между осью крайней канавки и ближайшим торцом шкива, мм	f	8	8
Ширина шкива, мм	M	28	28
Расчет на выносливость
Расчетное напряжение, МПа	σ_F	2,157
Допускаемое напряжение, МПа	[σ_F]	3,817
Коэффициент запаса	—	1,769

Таблица 2.8 Проверочный расчет клиноременной передачи

Наименование и обозначение параметра	Шкив ведущий	Шкив ведомый
Исходные данные
Предварительное передаточное отношение	u_o	2
Предварительное межцентровое расстояние, мм	a_o	200
Частота вращения ведущего шкива, об/мин	n₁	1500
Коэффициент динамичности нагрузки и режима работы	k_f	1
Тип ремня	—	кордшнуровой
Определяемые параметры
Диаметр шкива, мм	d_p	63	125
Действительное передаточное отношение	u	2,004
Действительное межцентровое расстояние, мм	a	205
Обозначение ремня	—	Z ГОСТ 1284.1-89
Длина ремня, мм	L	710
Количество ремней	z	6
Окружная скорость, м/с	v	4,948	4,899
Угол канавки шкива	α	34°00′	38°00′
Наружный диаметр шкива, мм	d_в	68	130
Глубина канавок шкива, мм	h+b	9,5	9,5
Ширина канавки по наружному диаметру шкива, мм	b₁	10,029	10,222
Расстояние между осями канавок, мм	e	12	12
Расстояние между осью крайней канавки и ближайшим торцом шкива, мм	f	8	8
Ширина шкива, мм	M	76	76
Допускаемая мощность, кВт	[N]	4,66
Допускаемое напряжение, МПа	[σ_F]	3,817

Результаты построения моделей шкивов клиноременной передачи представлены на рисунке 2.18 а, б.

Рисунок 2.18 Модели ведомого (а) и ведущего (б) шкивов

2.7 Выводы по разделу

Разработанная методика проведения экспериментальных исследований позволила обосновать рациональные конструктивные и кинематические параметры дисковых рабочих органов плющилки зерна, а именно частоту вращения дисков 900…1000 мин^-1, угол при вершине конического диска 165˚, силу сжатия дисков 900 Н.

Конструктивные решения, предложенные в проекте, по сравнению с опытным образцом плющилки позволяют повысить эффективность ее работы, а именно увеличить производительность плющилки за счет улучшения условий ввода фуражного зерна в зону плющения и снизить потери мощности на привод рабочих дисков за счет применения двух электродвигателей и клиноременных передач вместо одного электродвигателя, промежуточного вала и двух цепных передач.

На основе расчета параметров разработанной плющилки получены теоретические данные о ее технической характеристике: производительность 320 кг/ч, потребляемая мощность 2 кВт, энергоемкость плющения 5,4 кВт·ч/т.

3.2 Разработка мероприятий по ТО и нефтепродуктообеспечению

Техническое обслуживание носит планово-предупредительный характер, поэтому предусматривает регламентируемую периодичность и обязательный состав операций, предупреждающих отказы. Техническое обслуживание и ремонт дисковой плющилки следует проводить в соответствии с заранее разработанным планом-графиком через установленные календарные сроки или определенную наработку. Однако, допускается проводить техническое обслуживание по потребности с учетом фактического технического состояния машины и ее отказов [38].

Техническое обслуживание измельчителей фуражного зерна включает в себя обкаточные, моечные, заправочные, крепежные и монтажно-демонтажные работы, а также операции по консервации машин и их составных частей. Планово-предупредительная система ТО и ремонта включает обкатку, ежедневное техническое обслуживание (ЕТО), периодическое техническое обслуживание (ТО-1), ТО при хранении, технический осмотр и ремонт [38].

Обкатку дисковой плющилки следует проводить для первичной приработки трущихся поверхностей и сопряжений. Увеличение нагрузки следует производить постепенно, доводя ее до 75% от номинальной. Этого можно добиться путем неполного открытия заслонки. В процессе проведения обкатки следует устранить выявленные дефекты сборки, произвести настройку и регулировку рабочих органов.

Ежедневное техническое обслуживание дисковой плющилки зерна, предусмотренное для обеспечения работоспособности в течение смены, следует выполнять перед работой или после нее. Данный вид обслуживания подразумевает проведение наружного осмотра, очистки поверхностей плющилки от частиц измельченного зерна и пыли, проверку и затяжку креплений, настройка рабочих органов под конкретный вид зерна.

Периодическое обслуживание дисковой плющилки, предусмотренное регламентом как ТО-1, следует проводить один раз в месяц или через каждые 90 ч работы дисковой плющилки. Данный вид обслуживания подразумевает выполнение моечных, диагностических, смазочных, крепежных, регулировочных и электротехнических работ.

Технический осмотр дисковой плющилки зерна следует проводить для контроля состояния ее элементов и узлов один или два раза в год. Данный вид обслуживания следует совмещать с операциями ЕТО или ТО-1.

Подготовка к хранению проводится перед периодом, когда дисковая плющилка не используется долгое время. Перед постановкой дисковой плющилки на хранение следует проводить комплекс мер, направленных на защиту деталей от коррозии, для чего их необходимо очистить, помыть, окрасить поврежденные участки, покрыть незащищенные участки консистентной смазкой, загерметизировать от влаги полости и провестит консервацию.

Техническое обслуживание дисковой плющилки зерна необходимо проводить при отключенном от сети шнуре питания [38].

Основными операциями ТО дисковой плющилки являются регулировка усилия поджатия дисков, замена смазки в подшипниках качения, смазка шлицевого соединения, смазка шарниров регулировочной заслонки, регулировка натяжения приводных ремней.

Смазки, рекомендуемые для подшипников качения, можно выбрать по таблице 3.1. При числе оборотов вала менее чем 1500 об/мин, полость подшипника следует заполнять на 2/3 объема.

Таблица 3.1 Консистентные смазки, рекомендованные для смазывания подшипников качения в зависимости от условий их эксплуатации

Условия работы	Рекомендованные смазки
Малые и средние нагрузки и скорости, рабочая температура до 65°С	УСс-2, УС-2, (солидолы)
Большие нагрузки, небольшие скорости, рабочая температура до 75°С	УСс-3, УС-3, (солидолы)
Средние нагрузки и скорости, рабочая температура до 75°С, под давлением	УСс-1, УС-1, (пресс-солидолы)
Большие нагрузки, рабочая температура до 70°С	ИП1-Л (летом), ИП1-3 (зимой)
Средние нагрузки, рабочая температура до 115°С, попадание влаги исключается	УТс-1, УТ-1 (консталины)
Нагрузки выше средних, повышена влажность, рабочая температура до 110°С	Смазка 1-13 (УТВ)
Средние нагрузки, рабочая температура от — 50°С до 100°С	Циатим-201 (УТВм), КB(УТМ)

Ориентировочные сроки замены консистентных смазок в зависимости от условий работ подшипников качения представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 Ориентировочные сроки замены консистентных смазок в зависимости от условий работ подшипников качения

Условия работы	Время между заменой
Большая влажность, высокая температура, наличие загрязнений	1…2 месяца
Отсутствие влажности, нормальная температура, наличие загрязнений	2…3 месяца
Нормальные условия	4…6 месяца
Периодическая работа в нормальных условиях	6…12 месяца

Шлицевое соединение регулярно нуждается в пополнении консистентной смазки. В противном случае оно изнашивается, образуются люфты или заклинивания. Для смазки шлицевого соединения следует выбирать смазки с твердыми добавками, которые усиливают действие противозадирных присадок, например смазку МС-1000 или ее зарубежный аналог.

Смазка шарниров регулировочной заслонки производится при проведении планового ТО-1 любой из пластичных смазок — УСс-2, УС-2, Литол-24 и др.

Натяжение ремня производится путем перемещения электродвигателя по пазам. Натяжение ремня следует проверять в середине ветви. Прогиб оттянутого усилием 100 Н ремня должен быть 12…15 мм.