Russian Federation
employee
Kazan, Kazan, Russian Federation
Russian Federation
The quality of feed produced for cattle is one of the main factors affecting the efficiency of its maintenance. The quality of the resulting feed largely depends on the design features of the equipment, in particular crushers. The purpose of the study is to evaluate the effectiveness of the developed device for crushing grain, in comparison with existing crushers (UD-200). An experimental plant with paddle disks has been developed for grinding grain. Its distinguishing feature is that two disks with a diameter of 142 and 200 mm with blades rotate in the working chamber. The device allows processing grain with high humidity. When using existing crushers (UD-200), fine grinding of grain is possible at a moisture content of not more than 12.6%, experimental installation - 12.9%. To obtain an average grinding, grain moisture can vary from 12.6% to 13.6% and from 12.9% to 14.1%, respectively. With a grain moisture content of 9.8%, the lowest energy costs for crushing were noted when using an experimental installation (5.3 J/kg), for the UD-200 crusher they reached 6.9 J/kg, which is 1.6 J/kg more. At a grain moisture content of 14.1%, the specific energy intensity in the variant with the experimental setup decreased to 8 J/kg, while UD-200 had 9 J/kg. The use of a crusher with paddle discs provides better grinding of feed intended for cattle and reduces the cost of this process.
grain, humidity, crushing, grinding module, energy intensity, energy, energy saving
Введение. В последние несколько лет животноводческая отрасль развивается быстрыми темпами, что приводит к увеличению потребности в качественных кормах для сельскохозяйственных животных.
На сегодняшний день в небольших сельскохозяйственных предприятиях, занимающихся животноводством, все больше распространение получает технология производства кормов с использованием малогабаритного оборудования [1, 2]. Наличие такого оборудования непосредственно в хозяйствах дает возможность значительно сократить расходы на логистику и в кратчайшие сроки производить готовый к употреблению животными измельченный корм.
Малогабаритное оборудование отличается малой энергоёмкостью, металлоемкостью, компактными размерами и небольшим сроком окупаемости [3]. Существующие дробилки разделяются на молотковые, роторные, жерновые дисковые, конусные. Они различаются по таким технологическим признакам, как тип рабочих органов, установленная мощность, технологическое назначение, эксплуатационные характеристики [4].
Дробление зерна – наиболее энергозатратный процесс при приготовлении кормов, поэтому актуальна разработка новых установок для его реализации, обеспечивающих высокую производительность и эффективность с низкими затратами электроэнергии.
При характеристике процесса дробления учитывают такие основные параметры, как степень измельчения, модуль помола измельченного продукта и удельная энергоемкость [5, 6, 7]. На степень измельчения в роторных дробилках влияют такие факторы, как расстояние между дисками, профиль дробильной камеры, скорость лопастных дисков, месторасположение окна для выхода зерна, влажность исходного материала, время пребывания материала в рабочей камере и др. [8, 9].
Цель исследования – оценка эффективности разработанного устройства для дробления зерна, в сравнении с существующими дробилками (УД-200).
Основные задачи исследования – изучение влияния различных конструктивных и технологических параметров дробилки на степень измельчения λ (мм), модуль помола М (мм) и удельную энергоемкость процесса дробления Е (Дж/кг).
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на разработанном в Казанском ГАУ устройстве для дробления зерна с лопастными дисками (Патент РФ № 2667098), для сравнения использовали дробилку УД-200 с рабочим ударным ножом.
Рис. 1 – Устройство для дробления зерна: 1 – опора; 2 – загрузочная тара; 3 – направляющий канал; 4 – вал привода; 5 – электромотор; 6 – диски; 7 – обечайка ситовая; 8 – отражательный элемент.
Устройство для дробления зерна включает опору с закрепленной на ней загрузочной тарой, направляющий канал, ситовую обечайку в форме усеченного конуса, отражательный элемент, электромотор, установленный на опоре вала привода с верхним и нижним диском [10, 11]. Верхний и нижний диски служат для разгона зерна и подачи его на ситовую обечайку, а лопасти, установленные на дисках, обеспечивают придание зерну максимального ускорения. Направляющий канал загрузочной тары предназначен для подачи зерна непосредственно в центральную часть первого диска, а конструкция ситовой обечайки в виде усеченного конуса обеспечивает отскок зерна после первого удара на второй диск, который разгоняет зерно для удара о ситовую обечайку для окончательного дробления [12, 13].
Важной отличительной особенностью разработанной дробилки можно считать то, что в рабочей камере происходит вращение двух дисков с лопастями, которые имеют разные геометрические параметры, их диаметры равны 142 и 200 мм.
Для эксперимента отбирали партию зерна пшеницы массой 1 кг влажностью от 9,8 до 14,1 %. Степень измельчения и модуль помола определяли на ситовом классификаторе (вибропривод ВП-30Т). Массу навески с измельченным продуктом (сита) измеряли на весах электронных настольных ВК-600 [14]. Удельную энергоемкость определяли с помощью измерительного комплекта К-50 с трансформатором тока И-520.
Для определения модуля помола использовали металлические сита с четырьмя размерами отверстий – 0 мм (дно классификатора); 1,0 мм; 2,0 мм; 3,0 мм. Устройство устанавливали на ровную поверхность, подключали к электропитанию, монтировали необходимое количество сит, засыпали зерно и закрепляли с двух сторон горизонтальной планкой. После этого запускали устройство на 2 минуты [15, 16].
Тонкость помола (мм) оценивали по средневзвешенному диаметру частиц (модулю) в соответствии с ГОСТ 8770-58 по формуле:
(1)
где G0 – масса навески на дне классификатора, г;
G1, G0, G3 – масса навесок на ситах с соответствующими отверстиями, г.
Помол считали тонким при M=0,2…1 мм; средним при M=1…1,8 мм; крупным при M=1,8…2,6 мм [17].
Для определения степени измельчения зерна, использовали выражение:
(2)
где DЭ – средневзвешенный диметр частиц (модуль) измельченного зерна, мм;
dср – диаметр шара объемом, равным объему одной зерновки, называемый эквивалентным диаметром зерна, мм.
Расход полезной энергии на образование единицы новой поверхности рассчитывали по формуле:
, (3)
где A – удельный расход энергии, Дж/м2;
PД – мощность на валу ротора дробилки при дроблении, Вт;
PXX – мощность холостого хода дробилки, Вт;
ΔS – приращение удельной площади поверхности, м2/кг;
Q – производительность дробилки, кг/ч.
Результаты и обсуждение. Разработанная дробилка с лопастными дисками обеспечивала более тонкий помол. Масса самой мелкой фракции (менее 1 мм) при ее использовании была больше, чем при дроблении на УД-200, на 6,3 г, средней – на 12,8 г (табл. 1).
Таблица 1 – Масса дробленого продукта в каждой навеске (сите), г
|
Размер сита, мм |
Разработанное устройство |
Существующий аналог (УД-200) |
|
Дно классификатора |
2,1 |
1,8 |
|
Менее 1 мм |
7,3 |
1,0 |
|
От 1 до 2 мм |
18,9 |
6,1 |
|
От 2 до 3 мм |
61,2 |
70,7 |
|
Более 3 мм |
10,5 |
20,4 |
|
Итого |
100 |
100 |
На УД-200 мелкий помол возможен при влажности зерна не более 12,6 %, а при использовании устройства с лопастными дисками – до 12,9 %. Для получения среднего помола она может варьировать соответственно от 12,6 % до 13,6 % и от 12,9 % до 14,1 % (рис. 2). Возможность использования экспериментальной дробилки при большей исходной влажности зерна обеспечивает снижение затрат энергии на его дополнительную сушку [18].
Рис. 2 – Модуль помола в зависимости от влажности зерна.
При влажности зерна 14,1 % максимальная степень измельчения на УД-200 составила 2,6 мм, а при использовании устройства с лопастными дисками получили более мелкий помол, степень его измельчения составила 2,1 мм, что на 0,5 мм меньше, чем при использовании традиционных дробилок (рис. 3).
Рис. 3 – Степень измельчения в зависимости от влажности зерна.
При повышении влажности возрастают затраты энергии на измельчение зерна [19, 20]. При влажности зерна 9,8 % и использовании экспериментальной установки они составили 5,3 Дж/кг, в варианте с УД-200 – 6,9 Дж/кг, что на 1,6 Дж/мг меньше. При повышении влажности зерна до 14,1 % удельная энергоемкость увеличивалась соответственно до 8 и 9 Дж/кг. Отмеченное снижение затрат энергии на дробление зерна можно отнести одному из преимуществ разработанного устройства (рис. 4).
Рис. 4 – Удельная энергоемкость в зависимости от влажности зерна.
Выводы. Использование экспериментальной установки с лопастными дисками обеспечило снижение максимального модуля помола, по сравнению с существующим аналогом (УД-200), на 0,2 мм, максимальной степени измельчения – на 0,5 мм, удельного расхода энергии – на 0,9 Дж/кг. Разработанное устройство в сравнении с аналогом УД-200 обеспечивает в совокупности и получение более качественного, измельченного корма, предназначенного для непосредственного скармливания крупному рогатому скоту.
1. Fayzrakhmanov DI, Valiev AR, Ziganshin BG. [The current state of grain production in the Russian Federation]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol.16. 2(62). 138-142 p.
2. Ziganshin BG, Bulatov SYu, Mironov KE. [Determination of the working area of the end screens of a grain crusher with an increased separating surface]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol.15. 2(58). 87-91 p.
3. Khaliullin DT, Dmitriev AV, Khafizov RN. [Study of the air-grain mixture movement in the working unit of the aeromechanical seed hopper]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.12. 4(63). 27-37 p.
4. Nevzorov VN, Matskevich IV, Khramovskikh NA, Yanova MA. [Device for grain crushing]. Patent RF № 2742055, 02.02.2021.
5. Ziganshin BG, Dmitriev AV, Sabirov BM. [Device for grain crushing]. Patent RF № 2667098, 14.09.2018.
6. Mathematical modeling of the grain trajectory in the workspace of the sheller with rotating decks / R. I. Ibyatov, A. V. Dmitriev, B. G. Ziganshin [et al.] // International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2019): Vol. 17. - Kazan: EDP Sciences, 2020. - P. 00093. - DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/20201700093.
7. Fedorenko IYa, Bespoldenov RV. Molotkovaya drobilka. [Hammer crusher]. Patent RF 2746586, 16.04.2021.
8. Bespoldenov RV. [Hammer crusher for grain with a vertically mounted rotor]. Patent RF № 2742509, 08.02.2021.
9. Fedorov DG, Dmitriev AV, Denisov ES. [Determination of the average impact force for the destruction of structural elements of buckwheat grain]. Vestnik of the Altai State Agrarian University. 2017; 2(148).151-155 p.
10. Technological factors influence on the work efficiency of the feed grinder / I. M. Gomaa, I. I. Kashapov, R. R. Khaidarov [et al.] // International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2019): International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” - Kazan: EDP Sciences, 2020. P. 00233. DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/20201700233.
11. Assessment of food security in Russia / I. N. Safiullin, B. G. Ziganshin, E. F. Amirova [et al.] // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021. Vol. 16. 2(62). 124-132 p. DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-124-132.
12. Fine grinding by abrasion. Types and designs of mills // Samlit. Foundry Factory. URL: http://samlit.com/izmel/shemy_izmelcheniya-istiranie_materialov.htm (date of reference: 12/21/2022).
13. Khaliullin DT, Nurullin EG. [Investigation of grain movement in the confusor of the pneumomechanical sunflower seed crusher]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2010; Vol. 5. 4(18). 122-124 p.
14. Nafikov IR, Khusainov RK, Lukmanov RR. [Substantiation of the parameters of vacuum pumping devices with a pulsating active flow]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 1(65). 67-72 p.
15. Himaltdinov IH, Ziganshin BG, Galiev IG. [Preventive strategy of maintenance of crushing equipment]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol. 15. 3(59). 71-76 p. DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-71-76.
16. Gureev II, Gostev AV, Nitchenko LB. [Efficiency of resource-saving methods of winter wheat cultivation in the conditions of the Central Chernozem region]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2022; Vol. 36. 6. 55-60 p. - DOIhttps://doi.org/10.53859/02352451_2022_36_6_55.
17. Theoretical justification of design and technological parameters of hulling machine main working bodies / D. Khaliullin, I. Badretdinov, I. Naficov, R. Lukmanov // Engineering for Rural Development. - Virtual, Jelgava, 2021. - P. 1501-1506. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev.2021.20.TF321.
18. Goryanin OI, Pronovich LV, Dzhangabaev BJ, Shcherbinina EV. [Optimization of technological operations in the cultivation of spring barley in the Middle Volga region]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2022; Vol. 36. 8. 55-60 p. - DOIhttps://doi.org/10.53859/02352451_2022_36_8_55.
19. Polosina VA, Ivchenko VK, Puchkova EP, Lipskiy SI. [Influence of elements of cultivation technology on the phytosanitary state of crops and crop yields]. Vestnik NGAU (Novosibirskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet). 2022; 2(63). 51-58 p. - DOIhttps://doi.org/10.31677/2072-6724-2022-63-2-51-58.
20. Hismatullin MM, Valiev AR, Hismatullin MM. [Anti-erosion land reclamation in the Republic of Tatarstan]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; 17. 2(66). 47-54 p. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-45-52.
