Центробежно-роторные измельчители фуражного зерна

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

центробежно-роторные измельчители фуражного зерна

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

СЕРГЕЕВ Николай Степанович

Челябинск - 2008

Работа выполнена на кафедре «Технология и механизация животноводства» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

академик РАСХН

Сыроватка Владимир Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Карташов Лев Петрович

доктор технических наук, профессор

Лапшин Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Федоренко Иван Ярославович

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет»

Защита состоится 19 июня 2008 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет» по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета

Автореферат разослан 12 мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Басарыгина Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для достижения высоких экономических показателей в животноводческой отрасли кормовой рацион должен содержать определенный набор веществ, полностью удовлетворяющий потребности организма животного в питательных веществах. Это возможно путем приготовления полноценных комбикормов, доля которых в рационе кормления составляет: для птицы 95...100, свиней - 85...90, КРС - 24..30%. Поэтому производство комбикормов является важной отраслью сельского хозяйства.

Ответственной и энергоемкой технологической операцией в приготовлении комбикормов является измельчение зерна. За счет измельчения ингредиентов увеличивается площадь поверхности зернового материала, улучшается взаимодействие корма с пищеварительными ферментами, снижается энергоемкость продукции и повышается качество смешивания компонентов. Однако тонкое измельчение увеличивает энергетические затраты, а мучнистые компоненты вызывают заболевания животных, особенно свиней. Измельчение занимает 50% от общих энерго- и трудозатрат в приготовлении комбикормов.

На животноводческих фермах, комбикормовых заводах, перерабатывающих предприятиях широко используются молотковые и ударно-центробежные дробилки и измельчители, имеющие ряд существующих недостатков. При тонком измельчении содержание пылевидной фракции составляет до 30%, при грубом получается до 20% недоизмельченной фракции. Это приводит к повышению энергоемкости процесса измельчения и ухудшению качества готового продукта.

Теоретические исследования и традиционные конструктивные решения по данной проблеме не могут в полном объеме обеспечить коренное совершенствование технологического процесса. Поэтому исследования и разработка конструктивных решений, направленных на совершенствование рабочих органов с целью повышения качества готового продукта и снижения удельной энергоемкости в 1,5…2,0 раза, пылевидной фракции в 3…4 раза, являются актуальной проблемой и имеют важное народнохозяйственное значение.

Вытекающая из этого научно-техническая проблема заключается в создании научных основ разработки центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна нового класса.

Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г., а также межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2001 г. и тематическим планам НИР ЧГАУ на 1993-2005 гг.

Цель исследований. Повышение эффективности процесса измельчения на основе изыскания рабочих органов и разработки методик расчета основных параметров измельчителей при их конструировании.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать основные принципы и методы инженерных расчетов механико-технологических процессов измельчения семян рапса и фуражного зерна способом резания и скалывания в центробежно-роторных аппаратах.

2. Исследовать:

- закономерности динамического и кинематического взаимодействия зерновки с режущими элементами рабочих органов;

- зависимость длины канала рабочего органа центробежно-роторного аппарата от частоты вращения диска-ротора при рациональных скоростях резания и скалывания;

- зависимость усилия динамического резания целых зерен при различных углах заточки и защемления режущих элементов;

- зависимость модуля помола от количества режущих элементов измельчающих пар рабочих органов при рациональных скоростях динамического резания;

- зависимость модуля помола и удельной энергоемкости процесса измельчения от угловой скорости рабочих органов;

- износостойкость режущих элементов рабочих органов и дать рекомендации по их проектированию.

3. Установить зависимость модуля помола и удельной энергоемкости процесса измельчения от влажности зерна;

4. Создать центробежно-роторные измельчители разной производительности на основе оптимизации рабочих органов и технологии измельчения с учетом физико-механических свойств исходного материала.

5. Разработать опытные образцы измельчителей, провести производственные и государственные испытания, дать технико - экономическую оценку результатам исследований.

Объект исследований. Технологический процесс взаимодействия измельчающих элементов рабочих органов с перерабатываемым сырьем в измельчителе центробежно-роторного типа.

Предмет исследований. Закономерности, условия и режимы функционирования измельчителей, характеризующие процесс разрушения зерна способом среза и скалывания.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, математики и математического моделирования. Предложенные рабочие органы измельчителя испытывались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производст-венных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%, погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна

1. Установлены закономерности динамического и кинематического взаимодействия семян и зерна с режущими элементами рабочих органов центробежно-роторного измельчителя, при этом срез (скалывание) происходит поперек зерна по минимальному сечению, что соответствует теории резания В.П. Горячкина.

2. Впервые получена система дифференциальных уравнений, описывающая поступательное и вращательное движение зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя.

3. Впервые в центробежно-роторных аппаратах применен способ резания и скалывания для измельчения семян рапса и фуражного зерна, обеспечивающий получение готового продукта высокого качества;

4. Разработаны модели и методика расчета рациональных параметров рабочих органов измельчителя.

5. Обоснованы конструктивные параметры измельчающих элементов рабочих органов центробежно-роторного измельчителя.

6. Получены следующие научные результаты:

- процесс измельчения зернового материала осуществляется с минимальным удельным расходом энергии;

- изыскана возможность измельчения семян масличных и высокобелковых культур (рапса, горчицы, расторопши, кориандра, амаранта, сои, гороха, и др.) с получением готового продукта без выделения жира и с хорошей сыпучестью;

7. Разработаны научные основы создания и проектирования центробежно-роторных измельчителей для переработки фуражного зерна и семян масличных культур.

8. Разработана методика инженерных расчетов рабочих органов и конструктивно-технологических параметров центробежно-роторных измельчителей нового класса.

Научная новизна и достоверность результатов работы подтверждены 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, результатами производственных и государственных испытаний, на базе которых созданы высокоэффективные центробежно-роторные измельчители фуражного зерна и семян масличных культур, позволяющие существенно снизить удельную энерго- и металлоемкость процесса измельчения.

Практическая ценность. Обобщена и развита теория и практика разрушения зерна способом резания и скалывания, разработаны механико-технологические основы создания и проектирования измельчителей центробежно-роторного типа, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением пылевидной фракции в 3…4 раза, удельной энерго- и металлоемкости в 1,5…2,0 раза по сравнению с существующей технологией измельчения фуражного зерна. Впервые получена возможность измельчения семен масличных культур, в частности рапса, с жирностью до 50%, без выделения жира. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для комбикормового производства.

Разработанные образцы измельчителей прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для измельчения фуражного зерна, семян масличных культур и других сыпучих материалов.

Реализация результатов исследований. Разработанная методика инженерных расчетов основных параметров центробежно-роторных измельчителей и техническая документация на их изготовление переданы на заводы Кировской области - ПО «Кировагропромремонт», г. Киров, АОЗТ «Нолинский ремонтно-механический завод», г. Нолинск; Челябинской области - АОЗТ «Агромаш», г. Челябинск, ФГУП «Приборостроительный завод», г. Трехгорный.

Опытные образцы измельчителей прошли производственную проверку и государственные испытания на Кировской МИС в г. Кирове, Поволжской МИС г. Кинеле и Центре сертификации электрооборудования АООТ «Электропривод» в г. Москве.

С 1990 года заводами Челябинской и Кировской областей выпущено более 5000 штук измельчителей четырех модификаций производительностью от 0,1 до 5,0 т/ч (ИЛС-0,1; ИЛС-0,15; ИЛС-0,5; ИЛС-5,0). В 1999 году измельчители включены в Систему технологии машин, в 2000 году - в каталоги «Машины и оборудование для АПК». Они нашли применение в сельском хозяйстве, пищевой, строительной, перерабатывающей и других отраслях народного хозяйства.

Результаты научной работы используются в учебном процессе агроинженерных факультетов вузов Минсельхоза России. Отдельные разделы диссертационной работыиспользуются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Промышленные образцы центробежно-роторных измельчителей ИЛС изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- научные основы расчета и проектирования центробежно-роторных измельчителей для переработки фуражного зерна и семян масличных культур;

- методика инженерных расчетов рабочих органов и конструктивно-технологических параметров центробежно-роторных измельчителей нового типа;

- результаты экспериментальных исследований по оптимизации геометрических параметров рабочих органов и конструктивно-технологической схемы измельчителя;

- новые технологические и технические решения по созданию машин и оборудования для измельчения фуражного зерна, семян рапса, горчицы, расторопши, кориандра, амаранта и других культур;

- результаты энергетической и экономической оценки энергосберегающего процесса измельчения фуражного зерна и семян масличных культур.

Апробация. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях Челябинского ГАУ и Свердловской ГСХА (1989...2007 гг.), семинаре заведующих кафедрами МЖ в МИИСП (2002 г.), 9-й международной научно-практической конференции ВНИИМЖ (2006 г.), научно-технических советах: ПО «Кировагропромремонт», АООТ «Нолинский ремонтно-механический завод» Кировской области (1989, 1991гг.); «Приборостроительный завод» г.Трехгорный (1992, 1996, 1998 гг.), завод «Агромаш» Челябинской области (1992...1995 гг.). Опытные образцы центробежно-роторных измельчителей демонстрировались на ВДНХ СССР (1988, 1989 гг.), где были награждены тремя золотыми и одной серебряной медалями, на агропромышленной выставке в городе Львове (1992 г.), региональной выставке-ярмарке «Урал-конверсия, наука, бизнес-94» в городе Екатеринбурге (1994 г.), на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций ВВЦ (2006 г.), международной выставке-ярмарке «Лучшее оборудование и технологии для малого бизнеса» ВВЦ (2006 г.), 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» ВВЦ (2006 г.), международной выставке «Агро-2006» в городе Челябинске, где были также награждены дипломами и медалями.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 65 научных работах, в том числе 11, опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации 315 стр., в том числе 258 стр. основного текста, 102 рисунка, 32 таблицы; список литературы включает в себя 250 наименований, в том числе 11 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

центробежный роторный измельчитель зерно

Введение. Дана общая характеристика рассматриваемой проблемы. Кратко изложена актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель и объект исследования, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

Глава 1. Состояние проблемы по измельчению фуражного зерна и задачи исследований. Рассмотрены требования, предъявляемые к техническим средствам по измельчению фуражного зерна и качеству получаемого продукта, кратко изложены способы механического измельчения, приведены классификация измельчающих машин, критический анализ результатов научных исследований физико-механических свойств фуражного зерна и конструктивных особенностей технических средств по его разрушению, а также намечены пути по совершенствованию рабочих органов измельчающих устройств с целью повышения качества готового продукта и снижения удельной энерго- и материалоемкости рабочего процесса. Сформулированы цель и задачи исследований.

Научными основами процессов приготовления кормов, теории резания, измельчения являются труды академика В.П. Горячкина. Исследованиями связи между затратами энергии и характеристиками измельчаемого продукта занимались П.Р. Риттингер, В.А. Кирпичев, Ф. Кик, Л.Б. Левенсон, П.А. Ребиндер, Г. Румпф, Е.М. Гутьяр, А.А. Гриффитс и другие. Совершенствованию отдельных технологических процессов и оборудования, связанных с механической обработкой компонентов комбикормов, посвящены исследования А.Я. Соколова, Г.И. Бремера, В.И. Сыроватки, Л.А. Глебова, С.В. Мельникова, В.А. Сысуева и других ученых.

Существенный вклад в теорию измельчения кормов внесли И.Ф. Василенко, Н.В. Сабликов, В.И. Сыроватка, А.А. Артюшин, В.А. Елисеев, А.А. Зеленов, А.П. Макаров, Я.Н. Куприц, С.Д. Хусид, С.В. Мельников, В.А. Сысуев, В.Г. Коба, В.И. Пахомов, П.И. Некрашевич, А.А. Омельченко, П.И. Леонтьев, П.А. Савиных, В.Р. Алешкин, Б.И. Вагин, А.И. Завражнов, В.И. Земсков, В.А. Зяблов, П.А. Кормщиков, Г.М. Кухта, Е.А. Маркарян, П.М. Рощин, Н.В. Сундеев, И.Я. Федоренко, В.Д. Денисов, С.В. Золотарев и другие ученые.

Большое количество исследований посвящено совершенствованию энергетической и экономической оценок технологических процессов в животноводстве. Из них существенное значение имеют работы Н.В.Брагинца, М.И. Искандаряна, Л.П. Карташова, В.А. Сысуева, П.А. Савиных, В.А. Коновалова, А.И. Купреенко, В.В. Лазовского, Н.М. Морозова, Д.Н. Мурусидзе, Ю.Ф. Новикова, Ю.В. Пануса, Е.М. Клычева, С.Г. Карташова.

Обзор и анализ исследований и разработок по механизации приготовления зерновых кормов и кормовых смесей показали следующее:

- результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области кормления сельскохозяйственных животных, проведенных в последние годы, указывают на возможность повышения эффективности скармливания кормов за счет улучшения фракционного состава измельченного зерна для каждого вида и возраста животных. За счет оптимизации технологических параметров измельчителей;

- применяемые схемы технологии измельчения и конструкции зернодробилок не в полной мере обеспечивают получение готового продукта, удовлетворяющего зоотехническим требованиям и нормам по содержанию пылевидной фракции, гранулометрическому составу, и имеют большую удельную энергоемкость и материалоемкость;

- роторные и ударно-центробежные дробилки, дезинтеграторы и дисмембраторы представляют собой новый тип измельчающего оборудования, обладают высокими показателями при измельчении хрупких сыпучих материалов, однако процесс измельчения зерна в них изучен недостаточно, отсутствуют методики расчета конструктивно-технологических параметров и режимов их работы.

Анализ состояния научно-технической проблемы позволил сформулировать цель и задачи для её решения.

Глава 2. Теоретический анализ способов измельчения и обоснование высокоэффективных измельчающих устройств. На процесс измельчения существенное влияние оказывают влажность, температура, физико-механические свойства зерна и др. Немаловажное значение имеют состояние, вид и конструктивные параметры рабочих органов измельчающих машин, способ подвода исходного материала в зону измельчения и отвода готового продукта и т.п. В связи с этим разработана классификационная схема основных факторов, влияющих на эффективность работы центробежно-роторного измельчителя фуражного зерна (рисунок 1). В центробежных, роторных и центробежно-роторных измельчающих устройствах на эффективность измельчения большое влияние оказывают удельные нагрузки и окружные скорости рабочих органов.



Рисунок 1 - Факторы, влияющие на эффективность работы центробежно-роторного измельчителя

Значительное количество переменных факторов, влияющих на процесс измельчения, настолько осложняет всю проблему в целом, что решить ее можно простейшими частными случаями и то при определенных допущениях. На эффективность работы центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна существенное влияние оказывает ориентация зерна в канале рабочего органа по отношению к кромкам режущих элементов. Для этого было исследовано движение частицы, а затем эллипсоида вращения по поверхности плоскости с вертикальной осью вращения. На зерно при движении по диску-ротору вдоль стенки канала (лопатки) действуют: сила тяжести , центробежная сила , сила Кориолиса и силы трения: , действующая на поверхности диска, и , действующая по поверхности стенки канала; - скорость движения зерна по диску (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема движения зерна вдоль стенки канала диска ротора

Для обоснования конструктивно-технологической схемы центробежно-роторного измельчителя выполнено следующее.

1. Предложена система дифференциальных уравнений по расчету оптимальной длины канала рабочего органа (1)-(3). В качестве модели зерна рассматривается трехосный эллипсоид (рисунок 3).

Рисунок 3 - Модель зерна: a1 - длина малой полуоси, мм; c1- длина средней полуоси, мм; b1 - длина большой полуоси, мм; с - центр тяжести

Для упрощения решения поставленной задачи приняты следующие допущения: зерно касается поверхности диска-ротора в точке, где его малая полуось касается плоскости диска и остается перпендикулярной к этой плоскости; зерно не вращается относительно своей продольной оси Х1 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Модель движения зерна вдоль стенки канала рабочего органа: - сила трения зерна о диск; - Кориолисова сила инерции; - переносная сила инерции; - сила трения зерна о стенку канала

Система дифференциальных уравнений, описывающих положение зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя (рисунок 4), имеет следующий вид:

, (1)

где a, b, c, d - постоянные коэффициенты связи дифференциального уравнения;

,

где n - частота вращения диска-ротора, мин-1;

f - коэффициент трения зерна по поверхности диска-ротора;

щ - угловая скорость вращения диска-ротора;

хо - начальное положение зерна на диске-роторе (минимальный радиус до начала канала);

g - ускорение силы тяжести;

в - угол поворота оси X1 зерна относительно оси Y;

Связь эллипсоида с поверхностью стенки канала выражается зависимостью

, (2)

где , (3)

При r = с1 углы ц=90є; в=90є; ось Х1 занимает положение параллельно оси Х.

Уравнения движения зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя позволяют определить длину канала, необходимую для подачи зерна длинной осью к плоскости резания.

Решение дифференциальных уравнений выполнено численным методом. Теоретические исследования проводились для различных зерновых материалов (ячмень, пшеница, овёс, рапс) с учётом кинематических и конструктивных параметров канала диска-ротора рабочих органов измельчителя. По полученным результатам построены графические зависимости (рисунки 5, 6).

По результатам графических зависимостей длины канала от частоты вращения диска-ротора при скорости резания от 20 до 35 м/с с максимальными геометрическими размерами зерна и расстояния от оси вращения диска-ротора до начала канала рабочих органов (R1=20 мм; R2=70 мм; R3=120 мм), на первой режущей паре оптимальная длина каналов должна составлять: L1=8 мм; L2=12 мм; L3=16 мм.

Рисунок 5 - Зависимость длины канала рабочего органа от частоты вращения диска-ротора при скорости резания 20 м/с с максимальными размерами зерна



Рисунок 6 - Зависимость длины канала рабочего органа от частоты вращения диска-ротора при скорости резания 35 м/с с максимальными размерами зерна

Зерно при движении в канале первой режущей пары рабочего органа центробежно-роторного измельчителя поворачивается, ориентируясь длинной осью вдоль стенки канала. Такое положение позволяет осуществлять процесс среза и скалывания по минимальному сечению зерна, после чего отрезанная часть вновь поворачивается длинной осью в направлении движения, и процесс повторяется на следующих режущих парах.

2. Произведены выбор и обоснование конструктивных параметров рабочих органов измельчителя, обеспечивающих технологический процесс измельчения зерна посредством среза и скалывания.

Анализ значений геометрических параметров режущей пары для процесса измельчения показывает, что эти параметры удобно разделить на две группы: параметры в плоскости резания и параметры в плоскости, перпендикулярной к плоскости резания (рисунок 7).

а) б)

Рисунок 7 - Схемы режущей пары:

а) - в плоскости резания;

б) - в плоскости, перпендикулярной к плоскости резания

К конструктивным параметрам режущей пары рабочих органов центробежно-роторного измельчителя относятся: - угол заточки режущего элемента (режущее ребро пуансона); - угол заточки противорежущего элемента; - угол установки режущего элемента;

- толщина режущего элемента; - острота ребра режущего элемента; - угол резания; - зазор между режущим и противорежущим элементами. Указанные параметры характеризуют форму и величину геометрических тел, их взаимное расположение как в статике, так и в динамике.

На рисунке 8 представлена принципиальная схема рабочих органов центробежно-роторного измельчителя.



Рисунок 8 - Схема рабочих органов центробежно-роторного измельчителя: 1 - корпус; 2 - патрубок загрузочный; 3, 4 - режущие элементы; 5 - диск-ротор верхний; 6 - вал внутренний; 7 - диск-ротор нижний; 8 - окна радиальные; 9 - каналы (пазы); 10 - стенка канала; 11 - патрубок выгрузной; 12 - вал полый.

По теории резания В.П. Горячкина, для технологического процесса основными параметрами являются давление ножа (режущего элемента) на материал и боковое его движение. Количественное соотношение между двумя этими параметрами характеризуется значениями коэффициента скольжения и коэффициента трения лезвия ножа (кромки режущего элемента) о разрезаемый материал. При этом следует отметить важную роль угла защемления . Угол защемления - это угол между кромкой режущего элемента в зоне резания и рабочей кромкой противорежущего элемента, при котором измельчаемый материал прекращает свое движение и начинается его перерезание. Полное защемление материала в режущей паре наступает при условии

, (4)

где - угол трения.

Допустимую величину угла защемления определяют опытным путем при различных условиях (тип режущего инструмента, его острота, физико-механические свойства измельчаемого материала и т.п.).

3. Предложена формула для определения оптимального количества режущих элементов () рабочих органов в зависимости от поперечного размера измельчаемого материала (), толщины режущих элементов (), относительной окружной скорости дисков-роторов () и времени движения зерна () вдоль стенки радиально расположенных каналов диска-ротора между окончанием предыдущего и началом последующего контакта с режущим элементом:

. (5)

4. Разработана методика по определению производительности измельчителя. Производительность центробежно-роторного измельчителя зависит от того, какое количество зерна может пройти через радиальные сквозные каналы (пазы) первого кольцевого ряда, размещенного на диске-роторе рабочих органов, в единицу времени. Для определения времени движения () материала по каналам (пазам) первого кольцевого ряда между окончанием предыдущего и началом последующего его контакта с режущими элементами смежного кольцевого ряда предлагается формула

, (6)

где - угловая скорость диска-ротора, с-1;

- длина отсекаемой части материала, м;

- наружный радиус первого кольцевого ряда рабочих органов, м;

- коэффициент трения зерна по металлу;

- технологический коэффициент.

Количество радиальных каналов на первом кольцевом ряде

,шт. (7)

где - ширина сквозного радиального канала (паза) выбирается с учетом геометрических размеров исходного материала, м;

- толщина стенки между каналами, м;

- внутренний диаметр первого кольцевого ряда, м.

Пропускная способность первого кольцевого ряда, имеющего радиальные сквозные каналы (пазы), определяется по формуле

,т/ч (8)

где - ширина канала, м;

- количество режущих элементов, шт.;

- высота канала, м;

- длина отсекаемой части зерновой массы, м;

- время между началом контакта измельчаемого материала с предыдущим и последующим режущими элементами, с;

- объемная масса зерна, т/м3;

- количество каналов, шт.

Пропускная способность последующих кольцевых рядов, имеющих радиальные сквозные каналы, можно определять аналогичным способом. Пропускная способность каждого последующего кольцевого ряда рабочих органов должна быть не меньше предыдущего, т.е. , где - порядковый номер кольцевого ряда. При таком условии будут осуществляться равномерная подача, качественное измельчение и быстрый вывод готового продукта из рабочей камеры машины.

5. Предложена формула (9) по определению мощности, расходуемой на процесс измельчения с учетом особенностей конструкции рабочих органов измельчителя. Зерновой материал под действием центробежной силы движется по радиальным каналам рабочих органов. Во время совмещения каналов смежных кольцевых рядов встречно вращающихся дисков-роторов зерно продвигается на определенную величину и срезается кромками режущих элементов. Зная геометрическую форму поперечного сечения канала и количество в нем зерен, подлежащих одновременному срезу, можно определить потребную мощность:

, кВт (9)

где - среднее усилие резания единичного зерна, Н;

- количество зерен в канале, подлежащих одновременному срезу, шт.;

- количество максимально возможного совмещения каналов смежных кольцевых рядов, шт.;

- средний радиус зоны измельчения, м;

- коэффициент пористости, ;

- угловая скорость ротора-диска, с-1;

- количество кольцевых рядов, шт.

Потребная мощность, расходуемая на обеспечение подачи зерна к рабочим органам:

, кВт (10) (13)

где - подача зерна к рабочим органам, кг/с;

- абсолютная скорость зерна в момент движения по диску- ротору к каналам первого кольцевого ряда, м/с;

- ускорение свободного падения, м/c2.

Таким образом, рассчитав потребную полезную мощность по формулам (9) и (10), просуммировав результаты в соответствии с балансом мощности получим потребную мощность на процесс измельчения. Расходы энергии на другие потери отнесены к холостому ходу. Общая мощность привода измельчителя

, кВт (11)

Глава 3. Методические основы экспериментальных исследований конструктивных параметров рабочих органов центробежно-роторного измельчителя. Для решения поставленных в работе задач необходим комплексный метод исследований, включающий в себя проведение экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях. Для исследования ряда зависимостей были разработаны частные методики, ранее не применяемые в исследованиях сельскохозяйственной техники. Программа исследований предусматривает проведение экспериментальных опытов в лабораторных условиях, которые были реализованы в несколько этапов:

1. Разработка частных методик экспериментальных исследований.

2. Изготовление лабораторно-экспериментальной установки и приборов для исследования процесса измельчения фуражного зерна и семян рапса.

3. Подготовка лабораторного оборудования и измерительной аппаратуры.

4. Проведение опытов, обработка и анализ результатов.

Для выполнения экспериментальных исследований разработаны:

- методика и прибор по исследованию физико-механических свойств зерна и влияния углов заточки и защемления режущих элементов при статическом нагружении;

- методика и специально разработанная лабораторная установка центробежно-роторного типа, оборудованная динамометрическим резцом и измерительной системой для регистрации силы резания при исследовании влияния скорости резания, углов заточки и защемления режущих элементов на усилие резания одиночных зерен злаковых культур и семян рапса;

- методика и экспериментальная установка для определения износостойкости высокопрочного чугуна с целью его использования при изготовлении рабочих органов измельчителей;

- методика по определению рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя в сельскохозяйственном производстве.

Исследования по определению эффективности измельчения фуражного зерна и семян рапса выполнялись на экспериментальных и опытных образцах центробежно-роторных установок. Критерием оценки выбраны качество готового продукта, удельная энергоемкость и производительность процесса измельчения.

Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований. На рисунке 9 представлены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров режущих элементов на усилие резания одиночных зерен (семян) при статическом нагружении.

Из графических зависимостей усилия резания одиночных зерен влажностью 14-15% от угла заточки режущих элементов можно сделать вывод о том, что уменьшение угла заточки с 90 до 30° ведет к снижению усилия резания от 60 до 20 Н, но исходя из износостойкости режущего инструмента предпочтительнее иметь угол заточки 75…85°. Максимальное усилие резания зерна соответствует 42…52 Н, семян рапса 22…34 Н.

Рисунок 9 - Зависимость усилия резания одиночных зерен влажностью 14-15 % от угла заточки режущего элемента

Значение геометрических параметров режущих элементов рабочих органов является немаловажным фактором при динамическом измельчении. С этой целью проведены исследования влияния скорости резания и углов заточки режущих элементов на усилие резания зерновки пшеницы, ячменя, овса и семян рапса.

Исследования выполнены на экспериментальной установке центробежно-роторного типа, оснащенной динамометрическими приборами (рисунок 10).

а) б)

Рисунок 10 - Экспериментальная установка динамического резания зерна: а) - внешний вид; б) - камера измельчения; 1 - корпус; 2 - динамометр; 3, 5 - кронштейн; 4 - стержень динамометра; 6 - канал для зерна; 7 - обечайка камеры измельчения; 8 - приемная камера зерна; 9 - диск-ротор; 10 - противовес; 11 - планка-канал; 12 - резец; 13 - зерновка; 14 - электродвигатель

По результатам исследований построены графические зависимости усилия резания одиночных зёрен от скорости резания и геометрических параметров режущих элементов (рисунки 11-12).



Рисунок 11 - Зависимость силы резания (Р) от скорости резания (V) при углах защемления =36є и заточки режущих элементов: 1- в=60?; 2 - в=70?; 3 - в=80?; 4 - в=85? и углах защемления = 0є и заточки 5 - в=85? (рубка)

Рисунок 12 - Зависимость силы резания (Р) от скорости резания (V) семян рапса при углах защемления =36є и заточки режущих элементов: 1 - в=60?; 2 - в=70?; 3 - в=80?; 4 - в=85?

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

1. Усилие резания фуражного зерна режущими элементами с углами заточки в=60?, в=70?, в=80?, в=85? и защемления =36є при увеличении скорости резания от 22 до 46 м/с возрастает, примерно, в 1,2 раза, а усилие резания семян рапса при этих же значениях -в 1,1 раза.

2. С уменьшением угла резания с 85є до 60є усилие резания снижается. Однако более острые углы режущих элементов изнашиваются и притупляются быстрее. По многочисленным опытам установлены рациональные углы резания для рассматриваемого случая: в=80-85є ;=36є.

3. Усилие резания с углами заточки в=80? и в=85?, при угле защемления=36є, ниже соответственно на 20-25% и 15-20 % по сравнению с теми же параметрами режущих элементов и скоростями резания, но с углом защемления= 0є (рубка). Следует отметить, что при «рубке» с углом заточки в=85? из семян рапса выжимается масло.

4. Предложенный метод проведения эксперимента по исследованию процесса динамического резания семян рапса и фуражного зерна позволяет фиксировать импульсный характер усилия резания на осциллограмме с высокой точностью. Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность выбора рабочих органов и теоретических расчетов по обоснованию их основных геометрических параметров и режимов работы.

На рисунках 13 и 14 графически представлены зависимости модуля помола фуражного зерна от количества режущих элементов на первой и второй измельчающих парах рабочих органов.



Рисунок 13 - Зависимость модуля помола (М) пшеницы, ячменя, гороха и овса от количества режущих элементов (z) на первой измельчающей паре рабочих органов при скорости резания х1=26 м/с

Рисунок 14 - Зависимость модуля помола (М) пшеницы, ячменя, овса и гороха и овса от количества режущих элементов (z) на второй измельчающей паре рабочих органов при скорости резания х2=36 м/с

Оптимальное количество режущих элементов на первой измельчающей паре рабочих органов составляет 20, на второй - 30. Результаты опытов подтверждают справедливость формулы (5).

Зависимости основных показателей процесса измельчения от угловой скорости рабочих органов, построенные по результатам экспериментальных исследований, показаны на рисунке 20.

Рисунок 15 - Зависимость модуля помола и удельной энергоемкости процесса измельчения от угловой скорости рабочих органов

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что при рациональном режиме измельчения (угловая скорость роторов =228 с-1, окружная скорость =26...40 м/с) модуль помола = 1,5...1,6 мм, удельная энергоемкость = 4,0...6,0 кВт.ч/т. При угловой скорости роторов = 152 с-1 модуль помола увеличивается до 2,2 мм (на 60 %) с одновременным уменьшением удельной энергоемкости до 3...4 кВт.ч/т (на 30 %). При угловой скорости роторов =304 с-1 модуль помола практически не изменяется, но увеличиваются пылевидная фракция (на 20%) и удельная энергоемкость до 7...9 кВтч/т, т.е. на 50 %. С увеличением угловой скорости относительно рационального ее значения кинематика зерна в канале рабочего органа нарушается и измельчение происходит не по минимальному сечению зерна, что приводит к резкому увеличению удельной энергоемкости при незначительном повышении производительности (на 8%).

Получение готового продукта заданного гранулометрического состава, в зависимости от выбранного режима работы центробежно-роторного измельчителя, возможно. Это соответствует цели исследований. По данным частотного распределения по фракциям при кинематическом режиме измельчения с параметрами = 3...5 т/ч и = 228 с-1 содержание пылевидной фракции (Ш менее 0,25 мм) в готовом продукте при влажности зерна 14-15% составляет: для пшеницы - 2,44 %; ячменя - 2,60 %; овса - 2,46 %, гороха - 4,40 %, кукурузы - 4,80 %, рапса - 3,60 % и их смеси - 4,22 % , т.е. не более 5%. Это в 3…5 раз меньше, чем при измельчении на молотковых дробилках. Качественная оценка получаемого продукта отвечает установленным ГОСТом зоотехническим требованиям. Удельная энергоемкость процесса измельчения в 1,5-2,0 раза меньше, чем у молотковых и других дробилок. Следует отметить, что измельчение семян масличных культур, например, рапса, без выделения жира в готовом продукте и с хорошей сыпучестью возможно только при данном способе измельчения.

В молотковых дробилках и других измельчающих устройствах, в которых разрушение материала осуществляется за счет энергии удара, влажность и жирность измельчаемого зерна существенно влияют на энергетические и качественные характеристики. В исследуемых же измельчителях картина несколько иная.

Таким образом, можно констатировать следующее:

- центробежно-роторные измельчители способны перерабатывать фуражное зерно и семена рапса с влажностью до 22% и жирностью до 50%;

- при повышении влажности на 1% относительно зоотехнических норм (14-15%) удельная энергоемкость процесса измельчения фуражного зерна и его смесей увеличивается на 0,7 кВт•ч/т, в то время как на молотковых дробилках - на 2 кВт•ч/т;

- при измельчении семян рапса с повышением влажности удельная энергоемкость имеет тенденцию к уменьшению, при этом производительность увеличивается и качество готового продукта практически не изменяется, что является немаловажным фактором в кормоприготовлении.

В процессе многолетней эксплуатации измельчителей выявлена необходимость повышения износостойкости рабочих органов.

Исследование износа поверхности режущих элементов рабочих органов муаровым методом дает достаточную информацию об изменении величины износа при эксплуатации (рисунки 16-18).

а) б) в)

Рисунок 16 - Картины муаровых полос и график износа режущего элемента в различных сечениях (вид сверху)

а) б)

Рисунок 17 - Вид режущего элемента с наружной стороны и график поперечных перемещений

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рисунок 18 - Вид режущего элемента с внутренней стороны и график поперечных перемещений

Анализируя «муаровые картины», можно заключить, что наружный профиль режущего элемента имеет сложную криволинейную поверхность. Результаты, полученные при расшифровке «муаровых картин», дали достаточную информацию об изменении величины износа по всей поверхности режущего элемента (зуба) рабочих органов центробежно-роторного измельчителя. Таким образом, муаровый метод является перспективным направлением в исследовании износа поверхностей рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Подтверждена целесообразность применения модифицированного высокопрочного чугуна ВЧ 501 с содержанием перлита 85% для изготовления рабочих органов.



Рисунок 19 - График удельной истираемости стального и чугунных образцов до и после термообработки

Сравнение кривых удельной истираемости термообработанных стального и чугунных образцов показывает, что высокопрочный чугун ВЧ 501 практически не уступает стальному сталь 40Х, а даже превосходит на 18-20% (рисунок 19).

Образец ВЧ 501 с твердостью 46-48 НRС обладает наименьшим удельным износом по сравнению с другими образцами, из чего можно сделать вывод, что сопротивление истирающим нагрузкам у высокопрочного чугуна тем больше, чем выше его твердость. При этом можно заметить, что чугунный образец твердостью 46-48 НRС изнашивается меньше, чем стальной с твердостью 54-56 (рисунок 20). Это подтверждает гипотезу о том, что для высокопрочного чугуна высокая твердость в меньшей мере влияет на характеристики износа, чем у стали. Исследования позволяют сделать вывод о возможности применения высокопрочного чугуна ВЧ 501 для изготовления рабочих органов центробежно-роторных измельчителей. При этом затраты на изготовление одного комплекта рабочих органов снижаются на 20 - 25% по сравнению с затратами на изготовления из стали 40Х.

Рисунок 20 - График зависимости удельной истираемости от твердости материала

Экономический эффект от применения высокопрочного чугуна для изготовления рабочих органов достигается за счет снижения затрат на их изготовление и снижения стоимости материала.

Глава 5. Производственная проверка и экономическая эффективность использования центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна в сельскохозяйственном производстве. В 1988 году центробежно-роторный измельчитель фуражного зерна ИЛС-5 прошел ведомственные и государственные испытания.

1. По результатам ведомственных испытаний на комбикормовом заводе МХП «Радуга» Троицкого района Челябинской области выявлено, что удельная энерго- и металлоемкость в сравнении с серийно выпускаемыми молотковыми дробилками ДДМ-5 и ДБ-5 ниже в 1,4- 2,0 и 2,5- 4,0 раза.

2. Государственные приемочные испытания опытного образца измельчителя ИЛС-5 (ДЛС-394) проводились на Поволжской МИС. В период испытаний измельчитель был использован для производства комбикормов на Алексеевском комбикормовом заводе производственного управления хлебопродуктов Куйбышевской области. Согласно протоколу МИС № 19-137-88 (4320510) выявлено: зоотехнические показатели корма, измельченного на ИЛС-5, выше, чем у корма, приготовленного на сравниваемой дробилке ДБ-5; измельчитель надежно выполняет технологический процесс и пригоден для измельчения фуражного зерна, а также семян рапса. В готовом продукте содержание пылевидной фракции не превышает 5%; результаты экономического расчета показывают, что измельчитель позволяет снизить затраты труда по сравнению с базовой дробилкой ДБ-5 на 6,6 % вследствие более высокой эксплуатационной производительности; технический уровень выше, а удельная энергоемкость процесса измельчения в 1,45 раза меньше. Результаты представлены в таблице 1.

Центробежно-роторный измельчитель ИЛС-5 обеспечивает заданное качество измельчения семян рапса без выжима масла и равномерный помол фуражного зерна. Удельный расход энергии на измельчение семян рапса составляет 4 кВт·ч/т, фуражного зерна 5 кВт·ч/т против 10 кВт·ч/т на серийной дробилке ДБ-5.

3. После государственных испытаний измельчитель ИЛС-5 производительностью 3-5 т/ч был рекомендован для серийного производства заводу «Агромаш» Челябинской области (1989 г.) и Нолинскому ремонтно-механическому заводу ПО «Кировагропромремонт» Кировской области (1990 г.). С 1990 года начато серийное производство измельчителей производительностью от 0,1 до 0,5 т/ч на Приборостроительном заводе в г. Трехгорном Челябинской области. За период 1989 - 2006 гг. год выпущено более 5000 штук измельчителей 4-х модификаций производительностью от 0,1 до 5,0 т/ч (ИЛС-0,15; ИЛС-0,5; ИЛС-5). В 1998 году измельчители включены в Систему технологии машин, в 2000 году в каталоги «Машины и оборудование для АПК».

4. Измельчители нашли практическое применение в пищевой и медицинской отраслях - при измельчении семян кориандра, горчицы, высушенных корней цикория и хрена, арахиса, семян расторопши; в строительной - при измельчении мраморной крошки, змеевика и других минералов для строительно-отделочных работ и т.п. Например, с 2001 года в С.-Петербурге на фармакологическом объединении ОАО им. Пастера производится переработка семян расторопши на центробежно-роторных измельчителях ИЛС-0,5 и ИЛС-5. С 1998 года в Челябинской городской больнице №10 в макробиологическом центре используются измельчители ИЛС-0,1 и ИЛС-0,5 для переработки зерна арахиса для лечения больных и т.д.

Таблица 1 - Показатели экономической эффективности центробежно-роторного измельчителя фуражного зерна ИЛС-5

Основные показатели	ДБ-5 Базовый вариант	ИЛС-5 Новый вариант
	ячмень	пшеница	рапс	ячмень	пшеница	рапс
Эксплуатационные
Годовая выработка, т	1760	1760	1760	1760	1760	1760
Установленная мощность, кВт	32	32	32	22	22	22
Производительность, т/ч	3,12	4,88	-	4,21	4,89	5,5
Удельный расход электроэнергии, кВтч/т	10,2	6,6	-	5,2	4,5	4,0
Масса, кг	1000	1000	1000	500	500	500
Количество обслуживающего персонала	1	1	1	1	1	1
Технологические
Коэффициент использования сменного времени, ч	0,8	0,8	-	0,8	0,8	0,8
Коэффициент использования эксплуатационного времени, ч	0,74	0,74	-	0,8	0,8	0,8
Качество технологического процесса
Модуль помола, мм	1,3-2,0	1,3-2,0	-	1,5-1,9	1,5-1,9	0,8-1,2
Количество пылевидной фракции, %	8,5-11,2	10,8-16,8		2,5-3,8	3,6-4,4	1,0-1,3
Себестоимость едини- цы продукции, руб./т	45,1	39.8	-	28,8	21,7
Годовой экономический эффект, руб.				96502,6	124551,6
Срок окупаемости, год			-	0,75

5. В 2003 году на Челябинском абразивном заводе проведены производственно-экспериментальные исследования по измельчению нормального и белого электрокорунда для решения задачи получения максимального количества зерна требуемых фракций. Измельчение электрокорунда было произведено на центробежно-роторном измельчителе ИЛС-5. Для сравнения были взяты пробы измельченного электрокорунда после стержневой мельницы. Зерновой состав материала, полученный измельчением на ИЛС-5, предсказуем и выгоден. Наличие пыльной фракции сведено к минимуму, а это значит, что предполагается снижение производственных потерь более чем в два раза и получение дополнительной прибыли в размере 100 - 300 руб. (по ценам 2003 года) на одну тонну электрокорунда. Наиболее ходовая фракция по зернистости увеличилась в 1,5 - 2,0 раза.

6. Технико-экономические расчёты показали, что экономия прямых энергозатрат при измельчении фуражного зерна на измельчителе ИЛС-5 по сравнению с дробилкой ДБ-5, в среднем уменьшилась на 90,7 МДж/т, а коэффициент эффективности составил 1,7. Себестоимость готовой продукции также ниже на 29,8%, потребление электроэнергии - на 40%. Годовой экономический эффект составляет 110527,2 руб. в год. Срок окупаемости - 0,7 года. Для измельчителей ИЛС-0,5, в сравнении с молотковой дробилкой КДМ-1, годовой экономический эффект составляет 23172,5 руб. в год на один измельчитель. Срок окупаемости - 2,4 года. Для измельчителей ИЛС-0,15, в сравнении с молотковой дробилкой ДЗ-Т-1, годовой экономический эффект составляет 7021,8 руб. Срок окупаемости - 2,2 года. Общий среднегодовой экономический эффект от внедрения в сельскохозяйственное производство и другие отрасли народного хозяйства, выпущенных заводами Южного Урала и Нечернозёмной зоны России измельчителей ИЛС, составляет 18,812 млн руб./год (в ценах 2006 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Рациональный способ измельчения семян рапса и фуражного зерна в центробежно-роторных измельчителях путем последовательного резания и скалывания поперек зерна по минимальному сечению обоснован на принципах теории резания В.П. Горячкина.

2. Получены аналитические зависимости для расчета производительности центробежно-роторного измельчителя, потребной мощности, количества режущих элементов и радиальных каналов на кольцевых выступах (рядах) рабочих органов, зависящих от их конструктивных параметров и физико-механических свойств измельчаемого материла, позволяющие разработать измельчители различной модификации.

3. Для получения зоотехнически требуемого качества помола фуражного зерна и семян рапса достаточно двух смежных пар кольцевых выступов рабочих органов, имеющих между собой регулируемый зазор (0,25-2,50 мм). Минимальный диаметр кольцевых рядов составляет 230 мм, максимальный - 400 мм. Установлены основные параметры режущих пар: угол заточки режущих элементов в = 80…85є, что позволяет увеличить срок их службы, угол защемления = 36є. Доказана рациональная скорость резания (скалывания) зерна: v = 22…46 м/с. Определены усилия резания единичного зерна кондиционной влажности и семян рапса жирностью до 45%: для ячменя 22,0...31,0 Н; пшеницы - 26,0... 30,4 Н; овса - 10,2...12,8 Н; рапса - 9,2...10,2 Н. Усилие резания фуражного зерна режущими элементами с углами заточки в=60є, в=70є, в=80є, в=85є и углом защемления =36є при увеличении скорости резания от 22 до 46 м/с возрастает в 1,2 раза, а усилие резания семян рапса при этих же значениях - в 1,1 раза.

4. Обосновано оптимальное количество режущих элементов на первой (Z1=20) и второй (Z2=30) измельчающих парах кольцевых выступов рабочих органов, позволяющих получать готовый продукт высокого качества: содержание пылевидной фракции не превышает 5%, что в 5...6 раз меньше, чем после измельчения на молотковых дробилках.

5. Подтверждена целесообразность изготовления рабочих органов из модифицированного высокопрочного чугуна с содержанием перлита 85%, который превышает на 18-20% сталь 40Х по удельной истираемости, при этом срок службы увеличивается на 1200 часов. Затраты на изготовление рабочих органов снижаются на 20-25%.

6. Предложены центробежно-роторные аппараты для измельчения фуражного зерна и семян рапса, расторопши, сои, амаранта, позволяющие снизить удельную энергоемкость процесса измельчения в 1,5-2,0 раза, металлоемкость в 2,5-4,0 раза по сравнению с существующими машинами.

7. Созданы четыре модификации измельчителей производительностью 0,10; 0,15; 0,50 и 5,00 т/ч, проведены их производственные и государственные испытания. Удельная энергоемкость измельчителей составляет 4…6 кВтч/т; металлоемкость - 100…250 кгч/т, в то время как у молотковых дробилок эти показатели составляют 6...10 кВтч/т и 350…500 кг·ч/т. Гранулометрический состав регулируется в широком диапазоне и соответствует зоотехническим требованиям.

8. Серийный выпуск центробежно-роторных измельчителей ИЛС начат с 1990 года на заводах Южного Урала и Нечерноземной зоны России. Выпущено более 5000 штук. Среднегодовой экономический эффект составляет 18,8 млн руб.в год (в ценах 2006 года).

...