ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОГО РЕШЕНИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ

УДК 631.363.23

Теоретическое обоснование конструкционного решения измельчителя корнеклубнеплодов

Смирнов Р. А.

Оболенский Н. В., доктор технических наук

Кафедра «Охрана труда и ОБЖ»,

ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет»

603340, Россия, Нижегородская обл., г. Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22а

Свистунов А. И., кандидат технических наук

ООО «Новый век»

603340, Россия, Нижегородская обл., г. Княгинино, ул. Свободы, д. 28

E-mail: obolenskinv@mail.ru

Корнеклубнеплоды представляют собой один из наиболее распространённых видов корма, поскольку они отличаются хорошей поедаемостью, легко усваиваются и оказывают положительное влияние на физиологическое состояние животных. Однако при их измельчении зачастую получают низкокачественный продукт, несоответствующий зоотехническим требованиям. Поэтому разработка эффективной схемы измельчителя корнеклубнеплодов является одним из актуальных направлений кормопроизводства. Целью данного исследования было совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов, обеспечивающих повышение качества кормов и снижение энергетических и материальных затрат. В работе представлено теоретическое доказательство необходимости защемления клубней в рабочей камере измельчителя корнеклубнеплодов для минимального выделения сока, а также исследован процесс резания клубня горизонтальными ножами. Было установлено, что при выборе окружной скорости режущего диска необходимо исходить из вида измельчаемых корнеклубнеплодов и их физико-механических свойств. В зоне, где режущая сила равна 0, целесообразно нож установить по радиусу или даже с уклоном в противоположную сторону. С целью получения минимального количества выделяемого сока было получено аналитическое выражение (2) и построены графики, с помощью которых можно определить предельную величину угла наклона стенки бункера, исходя из размера измельчаемых корнеклубнеплодов и толщины нарезаемых ломтиков. При измельчении клубней диаметром до 60 мм вылет ножа должен быть установлен в пределах 18‒20 мм, а зазор между кромкой стенки бункера и режущим диском — 28 мм. Это обеспечит гарантированное защемление клубня между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера. Полученные уравнения довольно точно описывают процесс измельчения корнеклубнеплодов и могут быть использованы для практических расчётов аналогичных измельчителей.

Ключевые слова: вылет ножа, минимальное соковыделение, защемление клубня, измельчитель, корнеклубнеплоды, размеры клубня, режущий диск, стружка, схема действия сил, угол наклона.

Для производства животноводческой продукции используются различные виды кормов: грубые, сочные, концентрированные и ферментированные. В силу некоторых преимуществ (высокая урожайность, лёгкая усвояемость, хорошая поедаемость, благотворное влияние на физиологическое состояние животных) ценным видом сочных кормов являются корнеклубнеплоды. При переработке корнеплодов, в том числе при подготовке к скармливанию, обязательным является их измельчение.

Согласно зоотехническим требованиям для крупного рогатого скота корнеклубнеплоды измельчают до частиц размером 10‒15 мм, для свиней — 5‒10 мм и для птицы — 4‒5 мм. Однако анализ измельчителей, существующих на сегодняшний день, показал, что они отличаются большой энергоёмкостью, сложностью конструкции и невысокой производительностью. Измельчённый в таких машинах корм зачастую не соответствует зоотехническим требованиям, так как получаемое кашеобразное состояние приводит к потере сока и питательных веществ.

В связи с этим важнейшими задачами являются разработка и исследование измельчителя корнеклубнеплодов, позволяющего с минимальными энергозатратами получать корм, соответствующий зоотехническим требованиям, для всех групп животных.

Методика исследований. В основу теоретических исследований легли методы механико-математического моделирования взаимодействия клубней картофеля с транспортёрным калибрующим устройством в процессе их движения. В экспериментальной части использовался метод планирования многофакторных экспериментов (Вклад в науку инженерного института НГИЭУ, 2017; Алёшкин, 2016; Оболенский, 2016; Савиных, 2016; патент № 140129, 2014; патент № 2545819, 2014; Савиных, 2013).

Целью исследования являлось совершенствование конструкции и обоснование основных параметров измельчителя корнеклубнеплодов для приготовления кормов животным и птицам в условиях фермерских хозяйств, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат (потери кормов) и повышение качества их приготовления.

В измельчителе (рис. 1) резание корнеплода осуществляется в рабочей камере, образованной крышкой 5 и отбойником 14, вертикальными 11 и горизонтальным 9 ножами (патент № 2545819, 2014). С целью исключения перекатывания клубня через горизонтальный нож без разрезания стенка нижней части загрузочного бункера 6 выполнена с наклоном под углом α, предотвращающим перекатывание и обеспечивающим защемление клубня. Чрезмерное защемление влечёт смятие корнеплода, которое более энергоёмко, чем резание, и приводит к потере сока. Поэтому необходимо найти такое значение угла наклона стенки бункера, при котором исключается перекатывания клубня через горизонтальный нож, а защемление будет минимальным.

C:\Users\сергей\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Word\измельчитель.cdw.bak.jpg

Рис. 1. Измельчитель корнеклубнеплодов:

1 — корпус; 2 — электродвигатель; 3 — ременная передача; 4 — кронштейн крепления опорных подшипников; 5 — крышка; 6 — загрузочный бункер; 7 — наклонная перегородка; 8 — загрузочное окно; 9 — горизонтальный нож; 10 — винт; 11 — вертикальный нож; 12 — лопатки; 13 — режущий диск; 14 — отбойник; 15 — выгрузное окно; 16 — винт; 17 — прижимная шайба; 18 — посадочная шайба; 19 — выгрузная горловина; 20 — приводной вал; 21 — натяжное устройство

Измельчитель работает следующим образом. Корнеклубнеплоды загружаются в загрузочный бункер 4. Под собственным весом они скатываются по дополнительной наклонной перегородке 7 к загрузочному окну 8, расположенному на периферии режущего диска 13 (рис. 2), и через него попадают в камеру измельчения, образованную режущим диском 13 и отбойником 14. По периферии в створе загрузочного окна 8 вращаются ножи режущего диска 13. При подходе к корнеплоду вертикальные ножи 11 делают в нём вертикальные надрезы, а идущие следом горизонтальные 9 срезают стружку. Расстояние между вертикальными ножами 11 определяет толщину отрезаемого ломтика, а частота вращения режущего диска — его высоту. Отрезанные ломтики с помощью лопаток 12 перемещаются к выгрузному окну 15 через радиально расположенные на режущем диске окна и выводятся из камеры измельчения через выгрузную горловину 19.

C:\Документы\Серёга\Аспирантура\Диссертации\НГИЭИ\Смирнов\Фото\IMG_1115.JPG C:\Документы\Серёга\Аспирантура\Диссертации\НГИЭИ\Смирнов\Фото\IMG_1122.JPG C:\Документы\Серёга\Аспирантура\Диссертации\НГИЭИ\Смирнов\Фото\IMG_1137.JPG

Рис. 2. Режущие диски

Рассмотрим момент защемления корнеклубнеплода между горизонтальным ножом и наклонной стенкой обратного конуса загрузочного бункера (рис. 3).

Рисунок3.jpg

Рис. 3. Защемление клубня наклонной стенкой и ножом

После того как корнеплод из загрузочного бункера попадает на режущий диск, он перемещается до наклонной стенки обратного конуса под действием горизонтального ножа. В момент касания клубнем стенки возникает нормальная сила давления стенки , от действия которой возникает сила трения. Кроме того, корнеплод находится под действием силы тяжести, нормальной реакции со стороны режущего диска и режущей силы. Вылет ножа h совместно с диаметром клубня определяет величину угла φ. При некотором значении угла φ перекатывание клубня через нож прекратится, и будет происходить его резание. Кроме того, на процесс защемления и резания клубня в значительной степени влияет угол наклонной стенки бункера α. Определим необходимую величину этого угла, при котором клубень уже не будет перекатываться через нож и только начнёт защемляться. При этом условии будет наблюдаться минимальное выделение сока из клубня, и, следовательно, потери витаминов будут также минимальны. Для упрощения расчётов было принято допущение, что клубень картофеля имеет форму шара.

Используя условия статического равновесия, составим сумму моментов всех действующих на клубень сил относительно точки О:

В момент начала перекатывания клубня через лезвие ножа (точка О) сила трения достигает предельного значения , а сила N стремится к нулю N→0.

Определим наибольший угол α в интервале от 0‒900, при котором не происходит перекатывания через нож. Чем ближе угол α к 900, тем в меньшей степени проявляется разрушение клубня смятием, которое более энергоёмко, чем резание, и сопровождается существенным выделением сока из клубней. Кроме соотношений для и N полагаем, что сила действия стенки во много раз больше силы тяжести, действующей на клубень (P>>G), тогда уравнение (1) в предельном равновесии примет вид:

Решение этого уравнения для заданного коэффициента трения f и угла наклона стенки α позволяет получить предельное минимальное значение угла φ, при котором не будет происходить перекатывания клубня через нож. Этим углом φ определяется и минимальная толщина частиц корма.

Из графика (рис. 4) видно, что угол φ тем меньше, чем выше коэффициент трения, и при возрастании f от 0 до 1 изменяется от 90 до 0°. Так, при коэффициенте трения корнеплода о сталь, равном f = 0,25, угол φ составляет 62,5°.

Рис. 4. График зависимости предельного угла φ от коэффициента трения f

Используя уравнение (2), и при коэффициенте трения корнеплода о сталь f = 0,25 построено семейство кривых, характеризующих изменение угла установки наклонной стенки бункера в зависимости от размеров клубней (размер клубня влияет на угол φ и толщину отрезаемых ломтиков). Радиус клубней задавали в диапазоне от 10 до 50 мм.

Анализируя полученные зависимости (рис. 5), можно сделать вывод, что увеличение угла между наклонной стенкой обратного конуса бункера и горизонтальным ножом приводит к увеличению толщины ломтиков. Снижение размеров измельчаемых клубней также способствует возрастанию угла α. Поскольку для сохранения сока в нарезанных частицах корнеплодов необходимо стремиться к увеличению угла α, то, исходя из анализа графиков, логично предположить, что толщина ломтиков должна быть максимальной (то есть около 12 мм).

Рис. 5. Влияние радиуса клубня и толщины ломтиков на предельную величину угла α

Используя полученные графики, задаваясь необходимой толщиной нарезаемых ломтиков и зная средний диаметр измельчаемых клубней, можно определить угол α между горизонтальным ножом и наклонной стенкой обратного конуса загрузочного бункера.

Для проверки теоретических расчётов проведены опыты по определению угла наклона стенки загрузочного бункера. Радиус клубня картофеля изменялся от 30 до 40 мм, толщина ломтиков h = 10 мм. Результаты сравнительных экспериментов представлены в виде графиков на рис. 6.

Рис. 6. Сравнительные графики опытных и теоретических исследований предельной величины угла α

В целом полученная теоретическая зависимость описывает процесс защемления клубня и может быть использована при проведении технических расчётов, а полученная величина угла α гарантированно обеспечит защемление клубня и предотвратит его перекатывание через горизонтальный нож.

На силу резания в измельчителе влияют такие параметры, как окружная скорость режущего диска, угол резания ножей, положение клубня относительно оси вращения режущего диска, размеры и масса клубня.

Определим силу резания клубня горизонтальным ножом. Для этого рассмотрим схему действия сил на клубень (рис. 7).

Рисунок вид сверху.jpg

Рис. 7. Схема сил, действующих на клубень в подвижной системе отсчёта

На рис. 6 X, Y, Z — подвижные оси координат; ось X начинается от кратчайшего расстояния до оси вращения Z1 в плоскости диска; Z1 — ось вращения диска, направленная вверх; — ускорение свободного падения; m — масса клубня; Jzc — момент инерции клубня относительно вертикальной оси; Δ — коэффициент сопротивления качению по лезвию.

Запишем теорему об изменении кинетической энергии механической системы в относительном движении по лезвию ножа до начала процесса отделения части клубня.

В дифференциальной форме теорема примет вид:

Уравнение (3) является линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. Обозначим:

Подставим выражения (4), (5) и (6) в (3). Получим:

Общее решение неоднородного дифференциального уравнения (7) после математических преобразований примет вид:

где с1, с2 — определяются с помощью начальных условий :

Найденные значения констант с1 и с2 подставляем в уравнение (8). Тогда получим:

Используя полученные аналитические зависимости, рассмотрим процесс измельчения клубней картофеля в измельчителе. Исходными условиями являются: масса клубня m = 0,06 кг, радиус клубня r = 0,025 м, расстояние от оси вращения режущего диска до оси клубня R = 0,130 м. Окружную скорость ω режущего диска будем изменять в интервале от 60 до 120 с-1. Диаметр режущего диска составляет 350 мм. В этом случае решение уравнения (9) позволило получить зависимости, изображённые на рис. 7. Изменение координаты х клубня вдоль горизонтального ножа происходит по экспоненте, причём чем выше окружная скорость горизонтального ножа, тем быстрее изменяется координата (рис. 8). Следовательно, с увеличением окружной скорости ножа линейная скорость скольжения клубня по ножу возрастает, и корнеплод быстрее достигает стенки камеры измельчения.

Рис. 8. Решение уравнения (14) при массе клубня m = 0,06 кг, радиусе клубня r = 0,05 м и расстоянии R = 0,130 м

Возрастание скорости скольжения клубня ведёт к росту силы резания, что подтверждается результатами расчётов, представленных в виде графиков (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Изменение режущей силы в зависимости от времени при массе клубня m = 0,06 кг, радиусе клубня r = 0,05 м и расстоянии R = 0,130 м

Рис. 10. Влияние координаты х и окружной скорости ножа на силу резания при массе клубня m = 0,06 кг, радиусе клубня r = 0,05 м и расстоянии R = 0,130 м

Анализ зависимостей (рис. 10) показывает, что режущая сила Ny некоторое время имеет отрицательное значение. Этот временной промежуток соответствует отрыву клубня от ножа под действием центробежной силы, и резание в эти моменты невозможно, пока клубень вновь не попадёт под воздействие ножа. Из рисунка видно, что увеличение частоты вращения ножа способствует возрастанию режущей силы. Поэтому при выборе окружной скорости режущего диска необходимо исходить из вида измельчаемых корнеклубнеплодов, а именно, из их физико-механических свойств.

Из графиков (рис. 10) видно, что сила резания на всех частотах вращения равна 0 в одной и той же координате и при принятых исходных данных составляет x = 0,124 м. Это связано с углом установки ножа α (рис. 1) к радиусу диска. В зоне, где сила Nу = 0, целесообразно нож установить по радиусу или даже с уклоном в противоположную сторону.

По результатам проведенных расчётов построен теоретический профиль кромки горизонтального ножа (рис. 11) в зависимости от его окружной скорости.

При измельчении клубней диаметром dкл = 60 мм для гарантированного защемления клубня между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера было принято установить вылет ножа в пределах 18‒20 мм, а зазор между кромкой стенки бункера и режущим диском S — 28 мм.

Рис. 11. Теоретически рассчитанный профиль кромки ножа:

1 — ω = 120 с-1; 2 — ω = 100 с-1; 3 — ω = 80 с-1; 4 — ω = 60 с-1

О реальном изменении силы резания косвенно можно судить по потребляемой электродвигателем энергии. Для определения режущей силы были проведены испытания разработанного измельчителя корнеклубнеплодов при измельчении клубней картофеля диаметром 43‒45 мм. Частота вращения режущего диска составляла 1150 мин-1, 1128 мин-1, 880 мин-1 и 711 мин-1 (рис. 11).

На основании исходных данных рассчитали режущую силу по известной формуле:

где Wпол — полезная мощность электродвигателя, кВт; n — частота вращения режущего диска, мин-1; 9550 — переводной коэффициент; R — расстояние от оси вращения режущего диска до загрузочного отверстия, м; α — угол резания, °.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований построены сравнительные графики (рис. 12), характеризующие изменение силы резания в зависимости от окружной скорости режущего диска:

1. опытная:

2. теоретическая:

Рис. 12. Влияние частоты вращения на режущую силу Ny

Анализ полученных данных показал, что изменение силы резания в зависимости от окружной скорости горизонтального ножа описывается квадратическими уравнениями.

В целом полученные уравнения довольно точно описывают процесс измельчения корнеклубнеплодов в измельчителе и могут быть использованы для практических расчётов аналогичных устройств.

Заключение. В ходе теоретических исследований было выявлено следующее:

1. увеличение частоты вращения ножа способствует возрастанию режущей силы. Поэтому при выборе окружной скорости режущего диска необходимо исходить из вида измельчаемых корнеклубнеплодов и их физико-механических свойств;

2. сила резания на всех частотах вращения равна 0 в одной и той же координате, что связано с углом установки ножа к радиусу диска. Поэтому в зоне, где сила Nу = 0, целесообразно нож установить по радиусу или даже с уклоном в противоположную сторону, а для дальнейшего скольжения (качения) по ножу, с возрастанием координаты x, изогнуть нож в предложенном направлении. На основании данных рассуждений построен рекомендуемый профиль кромки горизонтальных ножей.

3. получено аналитическое выражение (2) и построены графики, с помощью которых, задаваясь размерами измельчаемых корнеклубнеплодов и толщиной нарезаемых ломтиков, можно определить предельную величину угла наклона стенки бункера, исходя из условий минимального соковыделения.

4. для гарантированного защемления клубня диаметром 60 мм между горизонтальным ножом и стенкой загрузочного бункера необходимо вылет ножа устанавливать в пределах 18‒20 мм, при этом зазор между кромкой стенки бункера и режущим диском должен составлять 28 мм.

Литература

1. Вклад в науку инженерного института НГИЭУ: монография / под редакцией Н. В. Оболенского, А. И. Свистунова. — Нижний Новгород: ДЕКОМ, 2017. — 784 с.

2. Изучение условий защемления клубней в измельчителе корнеклубнеплодов / А. В. Алёшкин, С. Ю. Булатов, П. А. Савиных, Р. А. Смирнов // Вестник НГИЭИ. — 2016. — № 10 (65). — С.54–61.

3. Оболенский Н. В. Изобретательствопуть к научному успеху / Н. В. Оболенский, С. Ю. Булатов, А. И. Свистунов. — Нижний Новгород: ДЕКОМ, 2016. — 208 с.

4. Обоснование угла установки наклонной стенки загрузочного бункера измельчителя корнеплодов / П. А. Савиных, А. В. Алёшкин, С. Ю. Булатов, Р.А. Смирнов // Тракторы и сельхозмашины. — 2016. — № 9 (13). — С.7–10.

5. Патент на ПМ № 140129 РФ, МПК А 01 F 9/00. Измельчитель кормов / Савиных П. А., Булатов С. Ю., Смирнов Р. А., Нечаев В. Н. // Заявка № 2013140751/13 от 26.12.2013, заявитель ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»; опубл. 27.04.2014, бюлл. № 12. — 8 с.

6. Патент на изобретение № 2545819 РФ, МПК А 01 F 29/00, B 02 C 18/06. Измельчитель корнеклубнеплодов / Савиных П. А., Булатов С. Ю., Смирнов Р. А., Нечаев В. Н. // Заявка № 2013120420/13 от 30.04.2013, заявитель ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»; опубл. 10.11.2014, бюлл. № 10. — 6 с.

7. Савиных П. А. Измельчитель корнеклубнеплодов / П. А. Савиных, С. Б. Булатов, Р. А. Смирнов. // Сельский механизатор. — 2013. — № 8. — С.40–41.

Theoretical evaluation of design of root and tuber chopper

Smirnov R. A.

Obolenskiy N. V., Dr. Techn. Sc.

Department «Health and Safety»,

Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics

606340, Russia, the Nizhny Novgorod region, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22/a

Svistunov A. I., PhD Techn. Sc.

OOO “Novyy vek”, a limited liability company under the laws of Russian Federation

603340, Russia, the Nizhny Novgorod region, г. Knyaginino, Svobody str., 28

E-mail: obolenskinv@mail.ru

Easy digestible root and tuber crops, widely used as forage have good palatability and positive effect on physiological condition of livestock. But their chopping often results in low-quality fodder. Therefore the development of effective chopper design is of great importance for fodder production. The investigation aimed at improvement of chopper design and validation of its main parameters to increase feed quality, reduce energy consumption and forage loss. This report gives theoretical evaluation of tuber pinching in a working chamber to reduce juice loss and cutting by horizontal blades. Choosing speed of cutting blade, it is important to consider type of tuber and root crops and their physical and mechanical properties. Blade should be adjusted radially or inclined in opposite side in the zone, having cutting force of 0. To reduce juice loss the research obtained equation (2) and graphs, determining limit value of hopper wall angle, depending on size of roots, tubers and final slices. For tubers of up to 60 mm in diameter blade distance to a tuber should be 18‒20 mm, while space between the edge of hopper wall and cutting blade — 28 mm. This guarantees tuber pinching between horizontal blade and hopper wall.

Keywords: blade distance, minimal juice loss, tuber pinching, chopper, root, tuber, tuber size, cutting blade, chip, flow pattern of force, angle.

References

1. Vklad v nauku inzhenernogo instituta NGIEU: monografiya / pod redaktsiey N. V. Obolenskogo, A. I. Svistunova. — Nizhniy Novgorod: DEKOM, 2017. — 784 p.

2. Izuchenie usloviy zashchemleniya klubney v izmelchitele korneklubneplodov / A. V. Aleshkin, S. Yu. Bulatov, P. A. Savinykh, R. A. Smirnov // Vestnik NGIEI. — 2016. — No. 10 (65). — P.54–61.

3. Obolenskiy N. V. Izobretatelstvo — put k nauchnomu uspekhu / N. V. Obolenskiy, S. Yu. Bulatov, A. I. Svistunov. — Nizhniy Novgorod: DEKOM, 2016. — 208 p.

4. Obosnovanie ugla ustanovki naklonnoy stenki zagruzochnogo bunkera izmelchitelya korneplodov / P. A. Savinykh, A. V. Aleshkin, S. Yu. Bulatov, R.A. Smirnov // Traktory i selkhozmashiny. — 2016. — No. 9 (13). — P.7–10.

5. Patent na PM No. 140129 RF, MPK A 01 F 9/00. Izmelchitel kormov / Savinykh P. A., Bulatov S. Yu., Smirnov R. A., Nechaev V. N. // Zayavka No. 2013140751/13 ot 26.12.2013, zayavitel GBOU VPO “Nizhegorodskiy gosudarstvennyy inzhenerno-ekonomicheskiy institut”; opubl. 27.04.2014, byull. No. 12. — 8 p.

6. Patent na izobretenie No. 2545819 RF, MPK A 01 F 29/00, B 02 C 18/06. Izmelchitel korneklubneplodov / Savinykh P. A., Bulatov S. Yu., Smirnov R. A., Nechaev V. N. // Zayavka No. 2013120420/13 ot 30.04.2013, zayavitel GBOU VPO “Nizhegorodskiy gosudarstvennyy inzhenerno-ekonomicheskiy institut”; opubl. 10.11.2014, byull. No. 10. — 6 p.

7. Savinykh P. A. Izmelchitel korneklubneplodov / P. A. Savinykh, S. B. Bulatov, R. A. Smirnov. // Selskiy mekhanizator. — 2013. — No. 8. — P.40–41.

Комментарии запрещены.