Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування конструктивних та технологічних параметрів пневмогодівниці з внутрішнім розподілом пневмосуміші

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня ндидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Корінні зміни, що проходять у сільському господарстві, ставлять нові задачі перед сільськогосподарським виробництвом, зокрема перед тваринництвом. Розукрупнення господарств, перехід на фермерське і колективне господарювання малих форм, зниження чисельності працівників, зайнятих у тваринництві, вимагають нових підходів до механізації найбільш трудомістких процесів у тваринництві, зокрема механізації кормораздачі.

Існуючі системи роздачі кормів на фермах великої рогатої худоби передбачають роздачу кормів у годівниці тільки визначеного виду і консистенції - грубих, концентрованих, соковитих, вологих мішанок із соковитих, концентрованих і мінеральних кормів, напіврідких кормових сумішей. Однак єдиних засобів роздачі для усіх видів кормів не існує.

Тому створення більш перспективних засобів роздачі кормів має велике значення в підвищенні продуктивності праці і зниженні собівартості продукції.

Виходячи з вищесказаного, актуальність теми полягає в тому, що розроблена і досліджена конструкція пневмогодівниці з внутрішнім циклонним розподілом пневмопотока дає можливість механізації й автоматизації найбільш трудомісткого процесу у тваринництві - роздачі кормів з одночасним підвищенням продуктивності праці, зниженням чисельності працівників ферми і зниженням собівартості продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі механізації тваринництва Таврійської державної агротехнічної академії по темі: 1.2 «Розробка енергозберігаючих та екологічно чистих технологій і засобів механізації виробництва продукції тваринництва» (номер держреєстрації теми №0102V000677), яка є складовою частиною галузевої тематики Міністерства аграрної політики України: «Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки південного регіону України».

Метою дисертаційної роботи є: підвищення ефективності процесу роздачі корму шляхом оптимізації конструктивних та технологічних параметрів горизонтальної циклонної пневмогодівниці з внутрішнім розподілом пневмосуміші.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- дати теоретичне обґрунтування процесу розподілу пневмокормосуміші в залежності від геометричних параметрів пневмогодівниці, кінематичних і динамічних параметрів пневмокормосуміші при використанні пневмогодівниці як циклонного віддільника;

- розробити й обґрунтувати критерії оцінювання якості заповнення пневмогодівниць кормом;

- перевірити працездатність горизонтальних циклонних пневмогодівниць шляхом використання експериментальних досліджень;

- розробити алгоритм інженерного розрахунку конструктивних та технологічних параметрів пневмогодівниці;

- провести виробничі випробування експериментального зразка горизонтальної циклонної пневмогодівниці;

- дати техніко-економічну оцінку пропонованої конструкції пневмогодівниці.

Об'єктом дослідження є горизонтальна пневмогодівниця з циклонним розподілом пневмопотока.

Предметом дослідження є процеси, що відбуваються в пневмогодівниці при заповненні її кормом з циклонним розподілом пневмопотока.

Методи досліджень. При проведенні досліджень використовувалися методи технічної експертизи при випробуванні роздавачів кормів. Оптимальні геометричні і технологічні параметри в дослідженні пневмогодівниці визначалися методом моделювання її роботи, базувалися на положеннях теоретичної механіки і поводження потоку вільно витаючих часток пнемодинаміки. Експериментальні дослідження проводилися як по загальноприйнятим, так і по розробленим методикам з використанням методів багатофакторного експерименту з елементами теорії подоби. Обробка дослідницьких даних здійснювалася на ПЕОМ з використанням теорії імовірності, регресійного, а також кореляціоно-спектрального аналізу. Виробничі випробування проводилися на макеті (дослідному зразку) пневмогодівниці з використанням промислової пневмотранспортної установки.

Наукова новизна результатів досліджень полягає у тому, що в роботі вперше:

- теоретично обґрунтована можливість циклонного горизонтального розподілу пневмопотока в закритому об'ємі;

- встановлено залежності впливу маси корму, коефіцієнтів тертя його часток по стінкам годівниці і між собою та опір середовища на величину шляху руху пневмосуміші в пневмогодівниці;

- розроблені критерії оцінки рівномірності розподілу маси по всьому об'єму пневмогодівниці;

- обґрунтовані оптимальні конструктивні і технологічні параметри пневмогодівниць з циклонним розподілом пневмосуміші.

Практична цінність роботи полягає в розробці алгоритму інженерного розрахунку оптимальних конструктивних та технологічних параметрів горизонтальної пневмогодівниці з циклонним розподілом пневмопотока. А також у використанні пневмогодівниць на фермах великої рогатої худоби з чисельністю голів від 20 і вище, тобто як для фермерських, так і для кооперативних господарств.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:

- розроблено теоретичні основи можливості горизонтального циклонного розподілу пневмопотока в закритому об'ємі;

- установлено критерії оцінювання рівномірності розподілу маси корму по всьому об'єму пневмогодівниці;

- розроблено алгоритм інженерного розрахунку конструктивних та технологічних параметрів пневмогодівниць;

- розроблено і виготовлено експериментальні установки для перевірки працездатності і якості заповнення пневмогодівниць кормом різної щільності;

- отримано деклараційний патент на винахід Пат. 5569А Україна, МКВ⁶ В65 G 53/00, А 01 ДО 5/00 Пристрій для годівлі тварин/ О.В. Пеньов (Україна). - №2002043650; Замов. 30.04.02. Опубл. 15.04.03; Бюл. №4.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались на науково-технічних конференціях ТДАТА в 1997…2003 р.р.; міжнародної науково-технічної конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві», що проходила при Інституті механізації й електрифікації сільського господарства української академії аграрних наук Глеваха, 2000 р.; на технічній раді ВАТ «Орсельмаш» 2002 р.

Публікації. Основні матеріали і положення дисертаційної роботи опубліковані в 7 друкованих працях, з них 6 статей у збірниках наукових праць, 1 патент. Загальний обсяг публікацій складає 1,2 авторських аркушів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Повний обсяг складає 143 сторінки, із них 116 сторінок основного тексту, втому числі 63 ілюстрації (20 рисунків, 38 графіка, 5 фотографій), 24 таблиці та 5 додатків. Усього використано 131 джерело.

Основний зміст

пневмогодівниця корм інженерний

У вступі обґрунтована актуальність теми, подані наукова проблема і концепція, відзначені наукова передумова і гіпотеза, сформульовані основні положення, що визначають наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі «Аналіз способів і засобів механізації роздачі кормів великій рогатій худобі», розглянута і проаналізована існуюча класифікація механічних способів і засобів роздачі кормів. Особливо виділені положення роздачі кормів з використанням пневмотранспорту, подана характеристика матеріалів, що транспортуються, і зроблено огляд наукових досліджень для роздачі кормів з використанням пневмотранспорту. На підставі цього були поставлені задачі дослідження;

- дати теоретичне обґрунтування процесу розподілу пневмокормосуміші в залежності від геометричних параметрів пневмогодівниці, кінематичних і динамічних параметрів пневмокормосуміші при використанні пневмогодівниці як циклонного віддільника;

- розробити й обґрунтувати критерії оцінки якості заповнення пневмогодівниць кормом;

- перевірити працездатність горизонтальних циклонних пневмогодівниць шляхом використання експериментальних досліджень;

- розробити алгоритм інженерного розрахунку конструктивних та технологічних параметрів пневмогодівниці;

- провести виробничі випробування експериментального зразка горизонтальної циклонної пневмогодівниці;

- дати техніко-економічну оцінку запропонованої конструкції пневмогодівниці.

В другому розділі «Теоретичні дослідження циклонної пневмогодівниці» розглянуто силовий і енергетичний аналіз руху пневмопотока і кінематика руху частки корму в горизонтальній пневмогодівниці з циклонним розподілом пневмосуміші.

При дослідженні руху пневмопотока у горизонтальній циклонній пневмогодівниці прийняті наступні допущення:

- потік пневмосуміші являє собою однорідний недеформований монопотік рівномірної вагової концентрації;

- діаметр потоку дорівнює діаметру живильного патрубка пневмотранспорту;

- розміри часток корму пневмосуміші однакові і залежать тільки від виду корму і його питомої щільності;

- коефіцієнт тертя часток корму пневмопотока є постійним по всій довжині пневмогодівниці;

- опір підпору повітря, створюваний сопуном, є величиною постійною по всій довжині пневмогодівниці;

- пневмогодівниця являє собою герметично закритий резервуар діаметром, який обумовлений зоотехнічними вимогами для годівлі тварин, тобто D_k = 750…800 мм і однаковим по всій довжині.

Для визначення конструктивних параметрів пневмогодівниці і зокрема діаметрів пневмогодівниці і живильного патрубка, був проведений аналіз переміщення пневмосуміші з урахуванням сил тертя корму по стінках годівниці і між частками корму в пневмопотоці.

До центру годівниці опір переміщення здійснюється тільки за рахунок сил тертя між частками корму. У той же час спостерігається постійний підпор повітря суміші на частки корму, які виходять з живильного патрубку та опір, який утворюється сапуном.

У циклонну горизонтальну пневмогодівницю потік пневмосуміші надходить по дотичній до стінки і переміщення відбувається по гвинтовій лінії, з кутом входу, що задає - б.

Переміщення пневмосуміші відбувається по гвинтовій лінії уздовж осі Х-Х (вісь пневмогодівниці).

Умова переміщення пневмопотока описується рівністю:

, (1)

де - сила опору від тертя (Н), що залежить від товщини потоку

і змінюється від до ,

зі зміною коефіцієнтів тертя f - по стінках годівниці до

- між частками пневмосуміші.

- рушійна сила від початкової швидкості V0

= , Н. (2)

- сила опору за рахунок тертя корму по стінці годівниці

= , Н. (3)

- опір повітря (підпір)

, Н. (4)

- сила від ваги маси частки - mg, Н.

Однак за рахунок різниці сил тертя корму об стінку годівниці і сил тертя між частками корму, це рівняння можна виразити так:

Для зовнішнього шару потоку:

, Н. (5)

Для внутрішнього шару потоку:

, Н. (6)

Шлях переміщення пневмосуміші визначається падінням діючої сили P(t) до нуля зі зменшенням швидкості потоку від V_max до нуля.

Дорівнюючи праві частини до нуля і вирішивши рівняння відносно , визначаємо шлях тертя для зовнішнього і внутрішнього шарів пневмопотока, що дорівнює:

Для зовнішнього шару:

м. (7)

Для внутрішнього шару:

м. (8)

Так як довжина шляху переміщення S визначається при швидкості потоку рівного нулю і величина сили підпору постійна (), одержимо:

, (9)

При діаметрі пневмогодівниці від 750…800 мм не позначається вплив живильного патрубка пневмопровода, тобто працездатність пневмогодівниці не залежить від живильної системи пневмотранспортера.

Для визначення довжини пневмогодівниці, була розглянута кінематика руху корму в горизонтальній пневмогодівниці з циклонним розподілом пневмосуміші.

Рух часток корму в годівниці описується рівнянням:

F(t)= - k V(t), (10)

де k - залежить від середовища і конфігурації часток продукту.

k>0, знак мінус показує, що сила опору

спрямована в протилежну сторону руху.

Частка корму входить у годівницю зі швидкістю V₀ і на неї діє сила опору.

, (11)

Вирішивши це рівняння, одержимо:

, (12)

де при а > 0

Тоді шлях, пройдений часткою корму, дорівнює:

, (13)

Інтегруючи за часом, одержимо:

, м. (14)

Або з огляду на сили опору переміщенню корму в годівниці, шлях переміщення корму описується рівнянням:

, м. (15)

Що відносно довжини годівниці з урахуванням початкового кута вхідного потоку, буде виглядати так:

, м. (16)

Залежність довжини пневмогодівниці від коефіцієнта тертя пневмосуміші по стінці годівниці, діаметра пневмогодівниці і початкового кута установки живильного патрубка при V₀ = 25 м/с подана на рис. 5.

Оптимальним діаметром пневмогодівниці є 750…800 мм.

Основною умовою працездатності і якості заповнення пневмогодівниці кормом є прискорення повороту живильного патрубка, яке повинно бути постійним:

град/с². (17)

З габаритів пневмогодівниці і шляху руху пневмосуміші кут повороту дорівнює:

, град. (18)

Підставив значення шляху руху пневмопотоку, отримаємо:

, град. (19)

Тоді з урахуванням шляху руху пневмопотока і часу заповнення годівниці, одержимо кутове прискорення живильного патрубка:

.град/с². (20)

Для встановлення кута повороту живильного патрубка і часу заповнення годівниці кормом в залежності від щільності корму, початкової швидкості пневмопотока і маси корму, розроблена номограма практичного використання для експлуатації пневмогодівниці з циклонним розподілом пневмопотока.

Проведений аналіз кінематичних, технологічних і конструкційних параметрів дозволив розробити алгоритм інженерного розрахунку пневмогодівниць із застосуванням електронно-обчислювальної техніки.

У третьому розділі «Програма і методики досліджень» приведені характеристики працездатності пневмогодівниць, якими є:

1. Коефіцієнт концентрації суміші, що залежить від швидкості повітряного потоку і щільності корму;

2. Параметри заповнення кормом по довжині і перетину пневмогодівниці;

3. Параметри рівномірності повороту живильного патрубка пнемо-годівниці для забезпечення рівномірності її заповнення.

Встановлено параметри експериментальної установки і параметри, що визначають працездатність пневмогодівниці: швидкість вхідного пневмопотока Х₁, щільність Х₂ і маса корма Х₃, обрана матриця планування активного експерименту. Активний експеримент проводився на експериментальній установці, виконаної 1:4 до габаритів реальної установки.

Моделювання працездатності пневмогодівниці по видах кормів здійснювалося дерев'яними обпилюваннями різних розмірів часток і вологості.

Рівномірність заповнення пневмогодівниці кормом по довжині визначалася багатоштирьовою лінійкою, а рівномірність заповнення кормом по перетині пневмогодівниці маятниковим кутоміром.

У четвертому розділі «Аналіз результатів експериментальних досліджень» приведені дані по лабораторних дослідженнях зменшеного макета пневмогодівниці зі збереженням параметра швидкості вхідного пневмопотока і щільності корму, зі зміною тільки маси корму. Обробка експериментальних даних проводилася по стандартній програмі з використанням коефіцієнтів регресії, рівнянь довірчої імовірності і критеріїв Стьюдента. З урахуванням значимості коефіцієнтів було отримано рівняння регресії:

Адекватність моделі визначалася за критерієм Фишера. Вихідним параметром був час заповнення пневмогодівниці кормом. Були отримані рівняння регресії і графічні залежності часу заповнення пневмогодівниці від різних вхідних параметрів. Було встановлено, що основним параметром, який впливає на якість заповнення пневмогодівниць кормом, є щільність корму по всьому діапазоні щільності кормів (від 100 до 750 кг/м³) з урахуванням вагової концентрації пневмосуміші, яка для транспортування кормів складає 8…10 кг/кг.

З цих залежностей видно, що рівномірність заповнення практично не залежить від маси корму, причому для легких кормів (сіно, солома, полова) максимальна частина корму осідає на початку годівниці, тому що легкі фракції гальмуються підпором повітря, а важкі корми (силос), які мають більшу кінематичну енергією, заповнюють у більшому ступені далеку частину годівниці.

Лабораторні дослідження моделі пневмогодівниці показали, що нерівномірність заповнення пневмогодівниці кормом не перевищує 6% для легких кормів щільністю 100 кг/м³ та 11% для важких кормів щільністю 750 кг/м³ від маси корму, а по перетині годівниці відхилення від горизонтального рівня з -30⁰ для легких кормів, до +40⁰ для важких кормів великої щільності. Це справедливо для пневмосумішей оптимальної вагової концентрації.

У п'ятому розділі «Моделювання виробничого зразка горизонтальної пневмогодівниці з циклонним розподілом пневмосуміші» приведені критерії подоби геометричних і технологічних параметрів пневмогодівниці, через комплекси і симплекси, що дозволяють перейти на реальні геометричні параметри пневмогодівниць. Перевірка цієї методики проводилася на збільшеному макеті пневмогодівниці з урахуванням швидкості вхідного пневмопотока, щільності і маси корму, при діаметрі 400 мм і довжині 4000 мм, що дозволило встановити, що в переході на реальні, виробничі розміри годівниці D_k = 0,75…0,8 м, L_k = 20 м нерівномірність заповнення по довжині складе 18% для легких кормів з малою щільністю, до 22% для важких кормів.

Проведена економічна оцінка результатів досліджень показала, що застосування пневмогодівниць з циклонним розподілом пневмосуміші в порівнянні з існуючими пневмокормораздавачами дозволяє знизити витрати на капітальне вкладення, електроенергію механічного приводу за рахунок скорочення чисельності механізмів, часу заповнення пневмогодівниці кормом і одержати річний економічний ефект 312 грн. на одну пневмогодівницю з циклонним розподілом пневмосуміші в порівнянні з існуючим транспортером ТВК-80.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі обґрунтування технологічних та конструктивних параметрів пневмогодівниці з внутрішнім розподілом пневмосуміші, яка забезпечує підвищення ефективності процесу роздачі корму на фермах великої рогатої худоби.

За результатами досліджень зроблено такі основні висновки:

1. Аналіз існуючих пневматичних систем для роздачі корму на фермах ВРХ дозволив встановити, що найбільш слабкою ланкою їхнього функціонування є відсутність пневмогодівниці, що сполучила би роботу пневмотранспорту і самої годівниці. Найбільш ефективний шлях рішення цієї проблеми складається у використанні в якості пневмогодівниці горизонтального циклонного віддільника з внутрішнім розподілом пневмосуміші в закритому обсязі.

2. Теоретичні дослідження розподілу пневмокормосуміші у горизонтальній циклонній пневмогодівниці діаметром D_k = 0,75…0,8 м дозволили встановити, що:

- шлях руху пневмосуміші у пневмогодівниці залежить від маси корму m, коефіцієнта тертя частки корму по стінках годівниці f і коефіцієнта тертя між частками корму fґ, а також діаметра годівниці D_k і опору середовища kSґс;

- при довжині пневмогодівниці L_k = 20 м час її заповнення кормом триває до 30 с.;

- живильна система пневмотранспорту істотно не впливає на працездатність пневмогодівниці.

3. За критерії оцінювання якості заповнення пневмогодівниці кормом прийняте відхилення рівня корму по довжині годівниці, що не повинне перевищувати 15% і відхилення рівня корму по перетині від горизонтального рівня, що не повинне перевищувати +40⁰.

4. Проведені лабораторні дослідження на моделі пневмогодівниці дозволили встановити, що нерівномірність її заповнення складає:

- для легких кормів із щільністю (100 кг/м³) до 6% по довжині і до -30⁰ по перетині;

- для важких кормів із щільністю (750 кг/м³) до 11% по довжині і до + 40⁰ по перетині.

5. Теоретичні і лабораторні дослідження дозволили розробити алгоритм інженерного розрахунку виробничих пневмогодівниць з циклонним розподілом пневмосуміші з визначенням конструктивних параметрів: діаметра і довжини пневмогодівниці, а також технологічних параметрів: часу заповнення годівниці кормом, початкового кута установки і прискорення кута повороту живильного патрубка.

6. Виробничі випробування збільшеної моделі пневмогодівниці розробленої на основі критеріїв подоби, дозволили встановити, що час її заповнення кормом складає від 5 до 30 с. і нерівномірність заповнення по довжині пневмогодівниці 15% і до +40⁰ по перетині.

7. Упровадження горизонтальних пневмогодівниць з циклонним розподілом пневмосуміші дозволяє знизити витрати на капітальне вкладення та електроенергію і одержати річний економічний ефект на одну пневмогодівницю з циклонним розподілом пневмосуміші - 312 грн. у порівнянні з існуючим транспортером ТВК-80.

Список опублікованих праць

1. Пенёв О.В. Определение технологических параметров пневмокормушки // Техника в сельскохозяйственном производстве: - Труды ТГАТА - Т. 1 - Вып. 1. - Мелитополь, 1997, - С. 97-98.

2. Пенёв О.В., Ильяшенко В.И., Демьяненко В.Я. Пневмораздатчик корма для КРС // Техника в сельскохозяйственном производстве: Труды ТГАТА - Т. 2 - Вып. 1 - Мелитополь, 1998, - С. 89-91. (Особистий внесок здобувача - розглянуто шляхи вдосконалення ліній роздачі кормів з використанням пневмотранспорту).

3. Пенёв О.В., Демьяненко В.Я. Основные характеристики работоспособности пневмокормушек // Машиноведение: Труды ТГАТА - Т. 2. - Вып. 3 - Мелитополь, 1998, - С. 6-8. (Особистий внесок здобувача - розглянути експлуатаційні характеристики працездатності горизонтальних пневмогодівниць).

4. Пеньов О.В., Роговий В.Д. Інженерний розрахунок конструктивних та технологічних параметрів пневмогодівниці з циклічним розподілом пневмосуміші. // Праці ТДАТА. - Т. 15 - Вип. 1. - Мелітополь, 2000, - С. 105-108. (Особистий внесок здобувача - розроблено інженерний розрахунок конструкційних та технологічних параметрів горизонтальних пневмогодівниць).

5. Пеньов О.В. Експериментальне дослідження технологічних параметрів пневмогодівниці // Механізація та електрифікація сільського господарства: - Вип. 83. - Глеваха, 2000, - С. 225-226.

6. Пеньов О.В. Оцінка нерівномірності заповнення пневмогодівниці кормом // Праці ТДАТА. - Т. 18 - Вип. 1. - Мелітополь, 2001, - С. 69-71.

7. Пат. 5569А Україна, МКВ⁶ В65 G 53/00, А 01 К 5/00. Пристрій для годівлі тварин/ О.В. Пеньов/ №2002043650; Замов. 30.04.02. Опубл. 15.04.03; Бюл. №4.

Размещено на Allbest.ru