Козупиця Сергій Іванович. Обгрунтування параметрів подрібнювача-живильника-доза- тора сипких хімічних консервантів на лінії заготівлі вологих кормів

brief description

Міністерство аграрної політики україни
Сумський Національний Аграрний Університет

На правах рукопису

КОЗУПИЦЯ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ
УДК 631.319

ОБҐРУНТУВАННя параметрів подрібнювача-ЖИВИЛЬНИКА-дозатора сипких хІМІЧНИХ консервантів на лінії заготівлі вологих кормів

05.05.11 машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва

Дисертація
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник
кандидат технічних наук, доцент,
Михайлович Ярослав Миколайович,
Національний аграрний університет

Суми 2007

Зміст
ВСТУП........................................................................................................................5
РОЗДІЛ 1
СТАН ПИТАННЯ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ...............................................11
1.1. Технології приготування високо-енергетичного корму з качанів кукурудзи підвищеної вологості як фактор енергозбереження в галузі........................11
1.2. Аналіз пристроїв для дозування сипких кристалічних консервантів..........20
1.3. Обґрунтування напряму досліджень...............................................................32
1.4. Огляд теоретичних та експериментальних досліджень процесу дозування сипких хімічних консервантів..........................................................................34
Мета і задачі досліджень..................................................................................41
РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПІДГОТОВКИ І ДОЗУВАННЯ ЗЛЕЖАНИХ СИПКИХ ХІМІЧНИХ КОНСЕРВАНТІВ ТА ЇХ ЗМІШУВАННЯ ІЗ ЗЕРНОСТРИЖНЕВОЮ МАСОЮ КУКУРУДЗИ...43
2.1. Аналіз робочого процесу подрібнювача-живильника-дозатора................43
2.2. Визначення енергоємності на привід подрібнювача-живильника-дозатора.....................................................................................................................60
2.3. Аналіз процесу змішування зернострижневої маси кукурудзи із сипким хімічним консервантом при одночасному (попутному) подрібненні компонентів...............................................................................................................66
Висновки до розділу 2....................................................................................69
РОЗДІЛ 3
ЛАБОРАТОРНІ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ.................72
3.1. Програма досліджень.....................................................................................72
3.2. Методика досліджень.....................................................................................72
3.2.1. Методика визначення насипної щільності.......................................72
3.2.2. Методика визначення фракційного гранулометричного складу
подрібненого сипкого хімічного консерванту...........................................73
3.2.3. Методика визначення коефіцієнта зовнішнього динамічного тертя сипкого хімічного консерванту по сталі....................................................74
3.2.4. Методика визначення коефіцієнта внутрішнього тертя сипкого хімічного консерванту.................................................................................76
3.2.5. Методика визначення коефіцієнта бокового тиску........................77
3.2.6. Методика визначення середнього питомого зусилля різання злежаних (кускових) хімічних консервантів ножовими скребками подрібнювача-живильника-дозатора..........................................................79
3.2.7. Методика визначення зусилля опору зсуву сипких хімічних консервантів..................................................................................................80
3.2.8. Методика визначення продуктивності та енергоємності подрібнювача-живильника-дозатора..........................................................81
3.2.9. Методика дослідження процесу дозування сипкого хімічного консерванту...................................................................................................84
3.2.10. Методика обробки експериментальних даних однофакторних експериментів...............................................................................................90
3.2.11. Методика планування і обробки експериментальних даних багатофакторних експериментів.................................................................90
3.3. Експериментальне обґрунтування параметрів подрібнювача-живильника-
дозатора ..........................................................................................................95
3.3.1. Фізико-механічні властивості вуглеамонійних солей....................95
3.3.2. Продуктивність та енергоємність подрібнювача-живильника-дозатора.........................................................................................................99
3.3.3. Обґрунтування параметрів дозатора...............................................101
3.3.4. Нерівномірність (точність) дозування сипкого хімічного консерванту.................................................................................................106
3.3.5. Продуктивність подрібнювача-живильника-дозатора..................112
3.3.6. Питома потужність подрібнювача-живильника-дозатора............125
Висновки до розділу 3................................................................................133

РОЗДІЛ 4
РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА..................................................................................................................136
4.1. Програма виробничих випробувань............................................................136
4.2. Методика виробничих випробувань............................................................136
4.3. Результати виробничих випробувань..........................................................140
4.4. Економічна оцінка результатів досліджень за даними виробничих випробувань...................................................................................................150
Висновки до розділу 4...................................................................................156
ВИСНОВКИ............................................................................................................158
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ...........................................................161
ДОДАТКИ
ДОДАТОК А
ДОДАТОК Б1
ДОДАТОК Б2
ДОДАТОК Б3
ДОДАТОК В
ДОДАТОК Г
ДОДАТОК Д
ДОДАТОК Е
ДОДАТОК Ж
ДОДАТОК З

Вступ
В Україні, як і в багатьох країнах, кукурудза є важливою зернофуражною культурою у створенні міцної кормової бази для тваринництва. Ця культура має високий потенціал врожайності, належні кормові якості та відзначається універсальністю використання (зелена маса, силос, зерно сухе та консервоване, консервована зернострижнева маса). Зерно кукурудзи − незамінний компонент при годівлі свиней, птиці, великої рогатої худоби. В перспективі в Україні валовий збір зерна кукурудзи становитиме 8 10 млн. тон [105].
Інтенсифікація виробництва кукурудзи в Україні потребує значних енергетичних затрат на його досушування традиційним способом на сушильних агрегатах. Так, для зниження вологості зерна з 25 до 15 % шляхом висушування витрати енергії на цю операцію збільшуються на 30 %, ніж на її виробництво [1, 103, 119, 128]. Орієнтація майбутніх технологій на сушіння зерна кукурудзи, яке використовується для годівлі сільськогосподарських тварин, немає перспективи. В зв’язку з цим у світовій практиці нарівні з висушуванням зерна кукурудзи широко впроваджуються енергозберігаючі технології заготівлі зерна в подрібненому вигляді для годівлі всіх видів сільськогосподарських тварин і птиці, зернострижневої маси з нормованим вмістом 5 − 6 % клітковини для годівлі свиней та зерно стрижневої маси із качанів з обгортками, або без них, для годівлі великої рогатої худоби і овець. Консервування за цими технологіями здійснюється з використанням хімічних консервантів. Такі консерванти дозволяють цілеспрямовано впливати на мікробіологічні процеси, які виникають у масі корму (пригнічення гнилісних та маслянокислих бактерій), підвищують загальну його поживність.
Застосування технологій хімічного консервування дозволяє збирати кукурудзу на 1 − 2 тижні раніше традиційних строків технічної стиглості зерна, тобто у восковій і на початку повної стиглості зерна, коли вміст поживних речовин в рослинах найбільший, а втрати при збиранні мінімальні. І крім цього, при застосуванні таких технологій на 1 − 2 тижні раніше звільняється площа під наступні культури [102, 115].
Розширення використання хімічних консервантів, а саме сипких хімічних речовин, стримується відсутністю спеціальних технічних пристроїв для їх підготовки та дозованого внесення у зернову або зернострижневу масу кукурудзи.
Актуальність теми. Науковими дослідженнями і практикою доведено перевагу використання в технологіях заготівлі і зберігання високовологих кормів сухих хімічних консервантів перед рідкими [97, 98]. Використанням цих консервантів при заготівлі вологих кормових матеріалів забезпечується зниження втрат останніх до 5 % [98, 106]. Для підвищення поживності закладеного корму в нього вводяться вуглеамонійні солі суміш карбонату і бікарбонату амонію [21, 22, 24, 31, 45, 49, 52, 55, 76, 83].
Більша частина сухих хімічних консервантів гігроскопічна і схильна до комкування і злежування [4]. Зважаючи на це, перед дозуванням таких матеріалів їх потрібно подрібнити для одержання початкового гранулометричного складу. При подрібненні злежаних хімічних консервантів з метою зменшення енерго− та трудовитрат шляхом уникнення повторного комкування, доцільно проводити одночасно із живленням та їх дозування в кормову масу.
В зв’язку з цим розробка пристрою для одночасного подрібнення, живлення і дозування злежаних хімічних консервантів є актуальним науковим завданням, вирішення якого дає можливість широкого впровадження перспективної технології заготівлі вологих кормових матеріалів із використанням вказаних консервантів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація безпосередньо пов'язана з виконанням НДР із застосуванням вуглеамонійних солей для консервування фуражного зерна підвищеної вологості. Постанова ДКНТ СРСР від 10.05.1983 за № 195, тема 1.502.703.4.85, розділ: „Вибір та обґрунтування засобів механізації для консервування вологого зерна” ВНДІтваринмаш, м. Київ.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення якості кормів в процесі їх заготівлі та зберігання шляхом поліпшення рівномірності розподілу сипких хімічних консервантів в об’ємі корму.
Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання досліджень:
теоретично проаналізувати закономірності процесів підготовки та живлення злежаних хімічних консервантів, формування їх стабільного потоку та одночасного подрібнення корму і змішування компонентів;
визначити необхідні фізико-механічні властивості злежаних і сипких хімічних консервантів (вуглеамонійних солей);
експериментально дослідити показники ефективності та якості процесу подрібнення, живлення і дозування сипких хімічних консервантів;
обґрунтувати конструктивні і режимні параметри комбінованого агрегату подрібнювача-живильника-дозатора злежаних хімічних консервантів, при яких забезпечується виконання технологічного процесу;
провести виробничу перевірку подрібнювача-живильника-дозатора в лінії заготівлі зернострижневої маси кукурудзи і дати його техніко-економічну оцінку.
Об'єкт дослідження: механізований технологічний процес консервування високовологої зернострижневої маси кукурудзи з використанням сипких хімічних консервантів, подрібнення, живлення і дозування та їх подачу в лінію приготування з одночасним подрібненням корму і змішуванням компонентів.
Предмет дослідження: обґрунтування параметрів подрібнювача-живильника-дозатора сипких консервантів в лінії заготівлі вологих кормів.
Методи дослідження: при вирішенні поставлених задач використано комплексний метод аналізу і синтезу теоретичних і експериментальних досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтуються на застосуванні законів теоретичної механіки, теорії механіки сипких середовищ та ґрунтів, методів системного аналізу процесів, технології одночасного подрібнення і змішування компонентів із застосуванням імовірнісних Марковських процесів і теорії графів та математичного моделювання. При проведенні експериментальних досліджень використано методи планування екстремальних досліджень, прикладного програмування, електричні методи вимірювання неелектричних величин, методи математичної статистики із застосуванням ПЕОМ та методи статистичного і регресійного аналізу експериментальних даних.
Наукова новизна одержаних результатів:
встановлена закономірність впливу на стабільність норм видачі і дозування сипких хімічних консервантів за умови синхронізації продуктивності виконавчих механізмів в одному агрегаті: ступінь заповнення наддозувального бункеру; геометричні пропорції збуджувальних лопатей; форму та розміри вивантажувального отвору;
розроблена математична залежність, яка пов'язує продуктивності живлення сипкого хімічного консерванту з конструктивними параметрами перфорованого диска живильника і дозволяє визначити діапазони регулювання подачі консерванту;
на підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена математична модель процесу подрібнення високовологого кормового компоненту з одночасним змішуванням його із сипким хімічним консервантом в активній гідродинамічній зоні молоткової дробарки, що забезпечило рівномірність розподілу консервуючого компоненту по всьому об’єму корму відповідно до зоотехнічних вимог;
набули подальшого розвитку математичні залежності для визначення потужності при подрібненні та дозуванні злежаних хімічних консервантів у комбінованому пристрої, в яких вперше враховано вплив змінних зусиль при різанні масиву злежаних хімічних консервантів; кути встановлення леза подрібнювача; вплив одночасної дії сил внутрішнього і зовнішнього тертя сипкого хімічного консерванту.

Практичне значення одержаних результатів:
обґрунтовані раціональні параметри комбінованого агрегату для внесення сипких хімічних консервантів при заготівлі вологих кормів, які забезпечують зменшення втрат корму на 10 12 % і підвищують продуктивність тварин на 6 8 %;
впровадження в технологію заготівлі зернострижневої маси кукурудзи молоткової дробарки в якості змішувача дає змогу зменшити енергетичні витрати на 18 %.
Запропонований комбінований агрегат для одночасного подрібнення, живлення та дозування сипких хімічних консервантів впроваджений на експериментальному заводі ВНДІтваринмаш.
Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані автором особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий: [1, 12] проведено аналіз засобів механізації, які застосовуються в технологіях консервування кормів; [2] обґрунтована технологічна схема процесу консервування фуражного зерна; [3] запропоновано застосування перфорованого диска в конструкції подрібнювача-живильника-дозатора; [7] проведені лабораторні дослідження фізико-механічних властивостей вуглеамонійних солей; [9] розроблена математична модель процесу подрібнювання-змішування; [10] розроблена методика багатофакторного експерименту; [11] розроблена математична модель, яка дозволяє визначити витрати енергії на подрібнення, живлення та дозування злежаних консервантів. Експериментальні дослідження виконані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що містяться в дисертації, доповідались і одержали позитивну оцінку на міжнародній науково-практичній конференції „Механізація і автоматизація процесів у молочному скотарстві” (м. Львів, 1999 р.), науково-практичній конференції ХДТУСХ (м. Харків, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Аграрний форум-2006”, напрямок: „Техніка і технології XXI сторіччя” (м. Суми, 2006 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва” (м. Полтава, 2006 р.), а також на щорічних наукових конференціях СНАУ (1997 2005 рр.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 статтях фахових видань, з яких 4 опубліковані самостійно. Одержано авторське свідоцтво на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і пропозицій, списку використаних літературних джерел із 135 найменувань, з них 5 іноземною мовою та 10 додатків. Основна частина роботи викладена на 172 сторінках машинописного тексту, містить 69 рисунків і 7 таблиць. Загальний обсяг дисертації становить 189 сторінок.

bibliography

Висновки
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нові підходи в обґрунтуванні параметрів технологічного процесу дозованого вводу сипких хімічних консервантів при заготівлі вологих кормів розробленим подрібнювачем-живильником-дозатором (ИДС 1), що дозволило впровадити його у виробництво на НВО „ВНДІтваринмаш” (м. Київ).
1. На підставі аналізу існуючих способів дозування сипких матеріалів обґрунтовано раціональну технологічну схему комбінованого технічного пристрою, який забезпечує необхідну продуктивність та задану точність дозування.
2. Визначені на основі загальноприйнятих методик основні фізико-механічні властивості хімічних консервантів (вуглеамонійних солей), значення яких входять в теоретичні розрахунки дисертації, мають наступні середні величини: насипна щільність 836 кг/м3; середньозважене значення діаметра подрібненого консерванту 2,7 мм; коефіцієнт зовнішнього динамічного тертя по сталі 0,6; коефіцієнт внутрішнього тертя 0,78; коефіцієнт бокового тиску 0,56; зусилля опору зсуву 668 кН/м2; середнє питоме зусилля різання злежаного кускового консерванту 175 кН/м, а його статична міцність 56 кН/м2.
3. Результати проведених досліджень дали змогу обґрунтувати конструктивні параметри робочих органів комбінованого агрегату: внутрішній діаметр корпуса 700 мм, діаметр перфорованого диска живильника 694 мм; площа одного отвору диска живильника 78,5 мм2; товщина диска 4 мм; висота вильоту ножових скребків подрібнювача 10 мм; кут нахилу ножового скребка до площини перфорованого диска живильника 15º; кількість ножових скребків 3 шт., що установленні на диску через кожні 120º ; діаметр дозувальної тарілки 696 мм; висота зрізаного конуса дозатора 220 мм; діаметр більшої основи цього конуса 640 мм; а кут його твірної 40º; об’єм наддозувального бункера 0,4м3; кількість лопатей, закріплених на зрізаному конусі 4, а їх висота 12 мм; висота дозувального вікна 40 мм, а його довжина 170 мм.
4. Отримані в результаті лабораторних досліджень рівняння регресії адекватно описують вплив конструктивних і режимних параметрів подрібнювача-живильника-дозатора на його продуктивність, нерівномірність видачі норми консерванту та енергоємність подрібнення, живлення і дозування на рівні довірчої ймовірності 0,95. За критеріями узгодження встановлено, що результати теоретичних та експериментальних залежностей з імовірністю 0,95 розподілені за однаковим законом.
5. Встановлено, що продуктивність дозування сипких (подрібнених) консервантів в залежності від вологості подрібнюваної зернострижневої маси кукурудзи змінюється в межах від 360 до 855 кг/год.
Експериментально встановлено, що для зміни продуктивності дозування сипких хімічних консервантів частота обертання вала приводу тарілки дозатора перфорованого диска живильника із ножовими скребками подрібнювача повинна бути в межах від 14,8 до 50,0 хв-1, що забезпечується встановленням електродвигуна постійного струму. Об’єм хімічного консерванту змінюється в межах від 0,032 до 0,110 м3, при цьому раціональною є площа лопаті 0,228 м2 та зазор між її торцевою площиною і внутрішньою стінкою бункера 0,0146 м.
Нерівномірність дозування при вказаних раціональних параметрах не перевищує 0,3 0,6 %, а потрібна питома потужність на привід подрібнювача-живильника-дозатора знаходиться в межах від 2 до 6 кВт·год/т.
6. Експериментальною перевіркою встановлено можливість використання молоткової дробарки як змішувача, при цьому час перебування індикатора (вуглеамонійної солі) наближається до моделі змішування, рівномірність розподілу складає від 6,6 до 1,2 % при виході із дробарки і від 4,5 до 1,2 % після транспортування корму в сховище.
7. Порівняльні випробування технології заготівлі високовологої зернострижневої маси кукурудзи показали, що економічний ефект на одну тонну законсервованого корму з використанням хімічних консервантів (вуглеамонійних солей) становить 13,8 грн, при цьому втрати корму зменшились на 10 12 %, а продуктивність тварин підвищилась на 6 8 %.
8. В результаті виробничих випробування дослідних зразків подрібнювачів-живильників-дозаторів в лініях заготівлі зернострижневої маси кукурудзи підвищеної вологості в колгоспі „Росія" Глибоцького району Чернівецької області протягом 1987 1988 р.р., СЗАТ „Вільшана" Недригайлівського району та агрофірмі „Косівщинська" Сумського району Сумської області протягом 2003 2004 р.р., встановлено безвідмовність їх роботи на протязі всіх періодів випробувань з урахуванням нормативного річного завантаження (360 годин). Річний техніко-економічний ефект від застосування одного подрібнювача-живильника-дозатора становить 94292 грн станом на 2005 рік.