Результаты исследования производительности шнекового измельчителя корнеклубнеплодов

Из выражений (12) и (13) находим С1 и С2.

Вывод. В ходе проведённых аналитических исследований удалось математически описать процесс движения зерна в лопастном барабане. Полученные результаты будут использованы при проектировании метателя зерна барабанного типа.

Литература

1. Шуханов С.Н. Устройство порционного типа для метания зерна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 6. С. 9-10.

2. Шуханов С.Н., Рыков И.Г. Совершенствование технических средств для метания зерна // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 4. С. 17-19.

3. Шуханов С.Н., Токмакова А.Л. Обзор конструкций зер-нометательных машин // Вестник ИрГСХА. 2013. № 59. С. 111-115.

Результаты исследования производительности шнекового измельчителя корнеклубнеплодов

В.В. Новиков, к.т.н., профессор, О.А. Камышева, инженер, А.С. Грецов, инженер, ФГБОУ ВО Самарская ГСХА

Сочные корма значительно отличаются не только по физико-механическим свойствам, но и по величине, в связи с чем возникает необходимость доводить их до определённого размера в соответствии с зоотехническими требованиями [1].

В Самарской ГСХА разработан и изготовлен шнековый измельчитель, в котором гребни шнека разделены на несколько частей. Каждая часть выполняет роль резания и перемещения перерабатываемого продукта (рис. 1) [2].

Цель работы — исследование технологического процесса измельчения кормовой свёклы.

Задачи исследования:

— определить производительность установки;

— получить регрессионные модели;

— определить корреляцию между данными теоретических зависимостей и экспериментальных значений.

Производительность является количественным показателем технологического процесса измельчения корнеклубнеплодов. В лабораторных исследованиях использовали плоды свёклы среднего фракционного состава.

Целью опытов по определению производи -тельности рассматриваемого процесса являлось

получение регрессионных моделей и определение корреляции между данными, полученными на основе теоретических зависимостей, и данными, полученными в результате обработки экспериментальных значений.

Для получения регрессионной модели по производительности реализован полный факторный эксперимент 23, уровни и интервалы варьирования независимых факторов выбирались на основании конструктивных особенностей предложенного технического решения и особенностей рассматриваемого процесса [3-6]. Матрица планирования эксперимента и полученные в ходе реализации опытов данные представлены в таблице 1.

Дальнейшую проверку на однородность и обработку полученных данных проводили по общепринятой методике [7, 8]. В результате обработки было получено уравнение регрессии, адекватно описывающее производительность установки для измельчения кормовой свёклы:

{1 = 925,892 +186,4X + 57,47 + +717,62 - 22,835X2 +

+22,16372 + 55,161Z2 - 94,25XY + +159,25XZ +126,75YZ - 74,25XYZ,

где X =

n - 51 20

Y = Бш -120 , 40 ;

Z = Х~ °,625. (2) 0,375

Рис. 1 - Шнековый измельчитель:

1 - корпус; 2 - загрузочная горловина; 3 - подающий шнек; 4 - выгрузное окно; 5 - дека; 6 - серповидный нож; 7 - нож; 8 - вал; 9 - режущая кромка; 10 - редуктор

1. Результаты эксперимента по исследованию производительности

№ Х0 Х1 Х2 Х3 Х1 х2 х3 Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3 Q, кг/ч

1 1 31 80 0,25 0,33 0,33 0,33 1 1 1 -1 260

2 1 71 80 0,25 0,33 0,33 0,33 -1 -1 1 1 400

3 1 31 160 0,25 0,33 0,33 0,33 -1 1 -1 1 160

4 1 71 160 0,25 0,33 0,33 0,33 1 -1 -1 -1 220

5 1 31 80 1 0,33 0,33 0,33 1 -1 -1 1 996

6 1 71 80 1 0,33 0,33 0,33 -1 1 -1 -1 2070

7 1 31 160 1 0,33 0,33 0,33 -1 -1 1 -1 1700

8 1 71 160 1 0,33 0,33 0,33 1 1 1 1 2100

9 1 31 120 0,625 0,33 -0,67 -0,67 0 0 0 0 750

10 1 71 120 0,625 0,33 -0,67 -0,67 0 0 0 0 940

11 1 51 80 0,625 -0,67 0,33 -0,67 0 0 0 0 860

12 1 51 160 0,625 -0,67 0,33 -0,67 0 0 0 0 980

13 1 51 120 0,25 -0,67 -0,67 0,33 0 0 0 0 300

14 1 51 120 1 -0,67 -0,67 0,33 0 0 0 0 1650

15 1 51 120 0,625 -0,67 -0,67 -0,67 0 0 0 0 1050

Рис. 2 - Значимость факторов в уравнении

Для наглядного отображения веса каждого фактора в уравнении на рисунке 2 представлена гистограмма значений коэффициентов.

После подстановки уравнений (2) в (1) получим уравнение регрессии для производительности в зависимости от выбранных независимых параметров в раскодированном виде:

О = 240,24 + 8,87п -1,6485" -1256,28? ? ? Ш ?

-0,057я2 + 0,01452 + 392,2682 -

? ' ш ' 4 7

-0,108п5 + 32,656п8 + 9,2275 8- 0,015п5 8,

' ш ' ' ш ' ш '

где п — частота вращения ножевого вала, мин-1;

Бш — шаг расположения ножей на ножевом

валу, мм;

5 — степень открытия выходного отверстия, мм2.

Для анализа полученной регрессионной модели (3) зафиксируем один из факторов на соответствующих уровнях варьирования. Таким фактором удобнее выбрать шаг расстановки ножей на валу, так как варьирование двух других факторов возможно в диапазонах между выбранными уровнями свободно, а варьирование значений обозначенного фактора сопряжено с необходимостью более длительной и трудоёмкой настройки измельчителя.

Таким образом, фиксируя шаг ножей на трёх выбранных уровнях с соответствующими значениями, получим три уравнения регрессии:

15, ,=80

О5,=80 = 197,07 + 0,207п - 518,068-

-0,057п2 + 392,2682 + 31,438п 8;

О5=120 = 241,98 - 4,125п -148,988-

-0,057п2 + 392,2682 + 30,829п8;

О5,=160 = 331,21 - 8,457п + 220,098-

-0,057п2 + 392,2682 + 30,219п8.

Для визуального представления полученных уравнений, представляющих собой криволинейные поверхности, в координатах [п; 5] строим уравнения

(4), (5) и (6) (рис. 3).

Как видно по рисунку 3, характер всех трёх поверхностей, построенных по уравнениям (4),

(5) и (6), одинаков и свидетельствует о следующих зависимостях производительности измельчителя от конструктивных и режимных параметров: увеличение значений всех трёх независимых параметров, изменяемых в опытах (частота вращения ножевого вала, степень открытия выходного отверстия, шаг ножей) приводит к росту производительности,

2. Значения производительности при различных сочетаниях независимых факторов

Значения Производительность, Q, кг/ч Конструктивные и режимные параметры

частота вращения n, мин-1 шаг ножей S^ мм степень открытия выходного отверстия, 5

Максимальное значение 1тах 2200,95 71 160 1

Минимальное значение 1тПп 58,97 71 160 0,25

Диапазон изменения 58,97-2200,95 31-71 80-160 0,25-1

Оптимальное значение (диапазон) 2200,95 71 160 1

Ь ö

£ looö.

Рис. 3 - Производительность измельчителя в зависимости от частоты вращения ножевого вала п и степени открытия выходного отверстия 5 при фиксированных значениях шага ножей

однако при увеличении частоты вращения и шага шнека при небольших величинах открытия выходного отверстия приводит к снижению производительности. Такая закономерность изменения производительности объясняется тем, что при больших значениях шага шнека размеры измельчённых частиц корнеклубнеплодов получаются значительно больше размеров выходного отверстия, и они сгру-живаются возле него, доизмельчаясь серповидным ножом до размеров, позволяющих пройти через выходное отверстие. Данное явление практически не наблюдалось в опытах с шагом ножей 80 мм.

Для определения диапазона варьирования отклика оптимальных значений факторов с помощью программы МаШсаё 11.0а были проведены требуемые расчёты и полученные значения занесены в таблицу 2 [5].

Вывод. Таким образом, проведённые в соответствии с методикой многофакторного планирования лабораторные исследования шнекового измельчителя корнеклубнеплодов по определению производительности позволили выявить зависимость производительности устройства от независимых параметров: частоты вращения вала с расположенными на нём рабочими органами, выполненными в виде ножей, представляющими собой часть шнека, шага ножей и степени открытия выходного отверстия, через которое дозируются измельчённые корнеклубнеплоды. Анализ полученной зависимости позволил

определить интервал варьирования производительности устройства, который составил 58,97—2200,95 кг/ч. Кроме того, в процессе проведения опытов, а также в ходе анализа полученных данных было выявлено, что при значениях шага расстановки ножей 120 и 160 мм и при степени открытия выпускного отверстия до 0,3 и до 0,5 соответственно наблюдается снижение производительности при увеличении частоты вращения вала с рабочими органами. Данный факт объясняется тем, что при больших значениях шага расстановки рабочих органов и небольших величинах открытия выпускного отверстия размеры отсечённых кусков корнеклубнеплодов получаются слишком большими, что не позволяет им проходить в выпускное отверстие, приводит к их сгруживанию возле последнего и соответственно снижению производительности. Данное явление практически не наблюдалось при шаге 80 мм. Тем самым можно разграничить интервалы производительности в зависимости от шага ножей: для шага 80 мм интервал производительности составит от 0 до 350 кг/ч, для 120 мм — от 350 до 700 кг/ч, а для шага 160 мм — 700—2200 кг/ч. Однако при этом также необходимо руководствоваться зоотехническими требованиями, регламентирующими степень измельчения корнеклубнеплодов, а также энергетическими затратами. Данные вопросы являются дальнейшим направлением исследований.

Литература

1. Сборник требований на машины и оборудование для механизации и электрификации животноводства. М.: Агро-НИИТЭНИТО, 1989. 237 с.

2. Пат. № 142728. РФ, МПК7 A01F29/00. Универсальный шнековый измельчитель кормов / Новиков В.В., Мишанин А.Л., Успенская И.В., Никитин В.А., Камышева О.А.; Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА». № 2014100759/13; заявл. 09.01.2014; опубл. 27.06.2014.

3. Лемаева М.Н. Разработка измельчителя корнеплодов и обоснование его оптимальных конструктивных параметров и режимов работы. дисс. ... канд. техн. наук. Специальность: 05.20.01. Саранск, 2007. 218 с.

4. Камышева О.А. Разработка устройства для измельчения корнеплодов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 1 (51). С. 72—74.

5. Камышева О.А., Прокофьев А.С., Молофеев И.Ю. Универсальный шнековый измельчитель кормов // Вклад молодых учёных в инновационное развитие АПК России: сб. матер. Всерос. науч.-практич. конф. Пенза: РИО ПГСХА, 2014. Т. 2. С. 177-179.

6. Новиков В.В., Камышева О.А. Технология измельчения корнеклубнеплодов // Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК: матер. всерос. науч.-практич. конф. Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. Ч. 1. С. 247-253.

7. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.

8. Mathcad 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчёты в среде Windows 95 / перевод с англ. Изд. 2-е, стереотип. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1997. 712 с.