Механіко-технологічні основи процесів та агрегатного устаткування для виробництва круп

р^п=_р^п l_п/S_ср,

де b_п та l_п - ширина та довжина п'ятна дотику зерна з опірною поверхнею.

Так, наприклад, для зерна пшениці при визначеному співвідношенні l_п/l=0,009691 та b_п/b=0,00848, величина мінімально необхідного міжзернового тиску розраховується за виразами

р^в=0,00784_р^в b^1/3/(lc)^2/3 та р^п=0,00896_р^п l^1/3/(bc)^2/3

і використовується (табл. 1) при обгрунтуванні режимів лущильних або обрушувальних пристроїв. Таким чином для гарантованого відділення оболонок з поверхні зерна пшениці поперечними та подовжніми зусиллями мінімальна величина міжзернового тиску в робочій зоні лущильної машини повинна перевищувати значення р^п=1,1721,2 кПа та р^в=3,5243,5 кПа.

Таблиця 1. Мінімально необхідна величина міжзернового тиску в робочій зоні лущильної машини для відділення плодових оболонок зерна пшениці

Напрямок навантаження	Межа міцності плодових оболонок, МН/м2	Товщина плодових оболонок, 10-6м	Коефіцієнт тертя	Величина міжзернового тиску, кПа
Подовжній	рmin=18,0 рmax=22,4	пmin=35 пmax=50	max=0,760 min=0,539	рmin=1,406 рmax=3,524
Поперечний	рmin=6,5 рmax=11,0	пmin=35 пmax=50	max=0,760 min=0,539	рmin=1,172 рmax=2,834

Дослідженнями механічних властивостей ядра пшениці доповнено експериментальні дані по міцності цілого та лущеного зерна в умовах навантаження його зусиллями зсуву у площині найбільшого поперечного перетину, які визначалися з точністю 5,9%. Така форма навантаження є найбільш імовірною у процесі відділення покривних тканин зерна в лущильних машинах, а опір ядра руйнуванню обмежує можливості його навантаження та регламентує режими обробки.

Міцність як цілого, так і лущеного зерна знаходиться в прямій залежності від скловидності ядра. Так, межа міцності ядра і нелущеного зерна скловидністю 40 % з вологістю 150,5 та 210,5 % досягає 6,3 та 3,8 МН/м² і 7,3 та 4,3 МН/м², що більш як у 1,6...2,1 разів нижче від показників міцності зразків скловидністю 98 % за аналогічних умов (відповідно 11,4 та 7,9 і 12,1 та 9,3 МН/м²). Це свідчить про обов'язковість врахування властивостей при визначенні інтенсивності навантаження і режимів лущення та шліфування зерна за умов збереження цілості його ядра.

Середні значення межі міцності цілого зерна пшениці скловидністю 40 та 98 % складають 5,76 та 10,64 МН/м² і загалом на 10 % більші від таких же показників для ядра (відповідно 5,26 та 9,50 МН/м²). Таким чином, обгрунтування допустимої величини навантаження зерна в робочих зонах технологічних машин, необхідно виконувати на основі показників міцності останнього.

Відношення величини зусилля руйнування ядра зсувом Т_с до найбільшої площі проекції S_lb=lb зерна (при середніх розмірах l=6,02; с=2,85 та b=2,98 мм) дозволяє встановити мінімальні значення міжзернового тиску (табл. 2), який обумовлює подрібнення зерно продуктів

р_п=Т_с/S_lb=_сS_bc/S_lb=_сbc/4lb=_сc/4l.

Аналіз одержаних результатів з урахуванням вимог збереження цілості ядра свідчить, що, при лущенні зерна з будь якими показниками міцності, скловидності (С) та вологості (В), максимальна величина міжзернового тиску не повинна перевищувати р_max0,9 МПа.

Таблиця 2. Обмежувальні значення р_п міжзернового тиску (МПа) в лущильних машинах

Продукт	Вологість	С=40%	С=70%	С=96%	С=98%
Зерно	В=12%	3,16	3,34	4,24	5,20
-“-	В=24%	0,93	1,52	1,93	2,53
Ядро	В=12%	2,82	3,16	3,72	4,46
-“-	В=24%	0,89	1,23	1,82	2,49

Розповсюдженість явищ тертя сипких матеріалів та порівняння загальноприйнятих умов вивчення їх фрикційних властивостей з режимами лущення зерна та шліфування ядра, підтверджує необхідність конкретизації наявних результатів відносно зернопродуктів та обґрунтування можливості їх використання для моделювання операцій обробки поверхні часток.

Виходячи з задач дослідження лущильних машин, визначення фрикційних властивостей зернопродуктів обмежувалось умовами, близькими до виробничих режимів. Математико-статистична обробка одержаних результатів дала можливість встановити математичні моделі, які відображають залежність коефіцієнтів опору зсуву між шарами зерна та коефіцієнтів тертя одиночних зерен по опірним поверхням:

=_с+0,085/(р+1)+0,001(12-В)²+0,007=_с+_р+_в+,

=_с+500(Р-0,075)³+0,0016(12-В)²+0,12^0,15=_с+_р+_в+f,

де _с, _р, _в та і _с, _р, _в та f-частки впливу скловидності (С, %), величини міжзернового тиску (р, кПа), нормальних зусиль (Р, Н), вологості зерна (В, %) і швидкості відносного руху (, м/с) на значення коефіцієнтів опору зсуву та тертя.

Виконана за допомогою F-критерія Фішера перевірка адекватності приведених математичних моделей фрикційних властивостей зерна (при рівні значимості результатів =0,05, ступені свободи по факторам m=3 та ступені свободи загального плану єкспериментів n=3, табличне значення F_,m,n=9,3), підтвердила несуттєвість різниці між розрахунковими і експериментальними значеннями коефіцієнтів та . Загальний вплив розглянутих факторів та скловидності зерна (табл. 3) викликає зміни коефіцієнтів опору зсуву та тертя в інтервалах =(0,29...0,65) та =(0,54...0,74).

Таблиця 3. Вплив скловидності зерна на значення коефіцієнтів опору зсуву та тертя

С, %	40	70	96	98	69
с	0,158	0,149	0,119	0,103	0,124
с	0,4397	0,4122	0,4172	0,4022	0,4178

Підвищення вологості зерна В характеризується (рис. 3 а, б) зростанням коефіцієнтів опору зсуву та тертя. Таким чином, при обробці зволоженого зерна на крупорушальних агрегатах, згідно до виявленої закономірності можна очікувати більш ефективну роботу фрикційних лущильних машин. Однак, при обгрунтуванні вологості зерна при його лущенні, необхідно враховувати адгезивні властивості відходів обробки та можливість “зализування” абразивних робочих органів.

Підвищення скловидності зерна пшениці (рис. 3 в, д) обумовлює зменшення коефіцієнтів його опору зсуву та тертя . Приведені дані свідчать, що ефективність відділення покривних тканин з поверхні високоскловидного зерна при незмінних умовах обробки буде нижчою від такого ж показника для низькоскловидного.

Підвищення міжзернового тиску р при зсуві шару зерен (рис. 3, д) характеризується зменшенням величини . В протилежність розглянутому, збільшення нормального навантаження Р при зсуві поодиноких зерен (рис. 3, г), супроводжується зростанням величини . Згідно результатів досліджень (рис. 3, б) збільшення швидкості переміщення зразків відносно опірної поверхні обумовлює зростання величин як коефіцієнта опору зсуву , так і коефіцієнта тертя .

Аналіз одержаних результатів свідчить, що найвища ефективність лущення може бути досягнута при рівноваговому вкладі швидкостей , міжзернового тиску р та діючих сил Р до показників тертя одиночних зерен f(f_р+f) та опору зсуву їх шарів (_р+). Математичний вираз рівновагового вкладу швидкостей у зміни фрикційних властивостей зерна має вигляд

=f або 0,007=0,12^0,15.

Розв'язанням цього рівняння одержано механічно раціональну величину _max=28,3 м/с швидкості відносного переміщення шарів оброблюваного зерна.

Математичний вираз рівновагового вкладу навантаження у варіації коефіцієнтів опору зсуву та тертя зерна

(_р+_в+) - (f_р+f_в+f)=0 при -f min

за умов Р=рS_ср, найбільшої вологості зразків (В=20%) та мінімального впливу технологічно доцільної швидкості їх переміщення (_min=3,0378 м/с) набуває вигляду рівняння четвертого ступеня

0,85/(р+1)-0,0016875(р-5)³-0,1589=0.

Дійсний корінь цього рівняння р4,5 кПа є рекомендованою величиною технологічно доцільного міжзернового тиску. Вона визначає точку перетину кривих та (рис. 3, е), які ділять площу графіка їх залежності від міжзернового тиску на чотири ділянки. Згідно фізичного змісту явища тертя сипкого матеріалу та взаємодії його з опірною поверхнею кожна ділянка характеризує стан шарів. Так верхня та нижня частини графіка відображають умови відносного руху (1) перекочуванням і проковзуванням та відносного спокою (3). Ліва ділянка (2) характеризує умови переважного ковзання, де слід очікувати найвищу ефективність операцій обробки поверхні зерна. Права ділянка (4) відповідає умовам переважного кочення, при яких спостерігається зниження ефективності операцій лущення та шліфування зерна.

Таким чином, проведений за умов рівновагового вкладу навантаження в варіації коефіцієнтів опору зсуву та тертя, аналіз математичних моделей відкрив можливість обгрунтовано рекомендувати величину міжзернового тиску в робочих зонах абразивно-дискових лущильних та шліфувальних машин на рівні 4,5 кПа.

Приведена методика дає можливість постановки та вирішення питання рівновагового вкладу навантаження в варіації коефіцієнтів опору зсуву та тертя (-=0) при технологічно доцільному значенні вологості (В=15 %) зерна середньої скловидності (С=69 %) і механічно раціональній швидкості (=28,3 м/с) відносного руху його шарів у робочих зонах. Після підстановки значень відповідних параметрів, одержали рівняння

0,85/(р+1)-0,0016875(р-5)³-0,2992=0

Розв'язання цього рівняння відкриває можливість визначити його дійсний корінь р_м=2,2285 кПа та обгрунтовано рекомендувати величину механічно раціонального міжзернового тиску в робочих зонах абразивно-дискових лущильних та шліфувальних машин на рівні 2,23 кПа.

Аналіз результатів дослідження фрикційних властивостей зерна підтвердив необхідність активного збудження та підтримки міжзернового тиску в робочих зонах лущильно-шліфувальних машин. Це вимагає розробки та застосування спеціальних пристроїв при створенні мало-, міні- та мікрогабаритних крупорушальних агрегатів. Так, наприклад, оснащення абразивно-дискових лущильно-шліфувальних машин розподільно-направляючими пристроями, призначеними для підтримки рекомендованої величини міжзернового тиску та збільшення активної площі абразивної робочої поверхні, обумовило відповідне підвищення їх продуктивності.

Розроблені технічні засоби та одержані на прикладі зерна пшениці результати досліджень геометрії та механічних властивостей зернопродуктів є складовою частиною механіко-технологічного обґрунтування процесів та агрегатного устаткування. Вони визначають вимоги до конструктивних рішень робочих органів головних функціональних елементів, обмежують режими їх обробки у процесі виготовлення крупів та свідчать про необхідність створення мало-, міні- та мікрогабаритних агрегатів, які за продуктивністю, розмірами та компоновкою відповідають умовам виробництва.

У п'ятому розділі наведено науково-методичні основи об'єктивного вибору конструктивно-технологічних рішень робочих органів, обґрунтовано фізичні та математичні моделі процесів та виконані теоретичні розрахунки і експериментальне підтвердження геометричних, кінематичних та динамічних параметрів функціональних елементів агрегатних установок.

Співставлення технічного рівня технологічного обладнання різних принципів дії та порівняння ефективності його роботи засвідчили найбільш високу доцільність застосування машин для безперервно-поточної обробки зернопродуктів з обертальним рухом та відповідною мікро- і макрогеометрією робочих органів. Проведений аналіз принципів дії і будови обладнання інших галузей виробництва та аналогічність вимог до автономних умов експлуатації дозволив створити основні технологічні пристрої для агрегатних установок комбікормових, насінєпідготовчих, хлібопекарських, кондитерських та інших виробництв. На основі одержаних результатів запропоновані прогресивні конструктивно-функціональні рішення устаткування для очистки та дезактивації зерна, роторно-дискові лущильно-шліфувальні машини, високопродуктивні обрушувальні пристрої та універсальні круповідділювачі. Проведена робота по створенню конструктивних рішень технологічних пристроїв підтвердила необхідність використання уніфікованих методів розв'язання конкретних питань по обґрунтуванню геометрії робочих органів та визначенню їх кінематичних параметрів. Рішення таких завдань вимагає розробки відповідних фізичних та математичних моделей і їх детального дослідження з метою обґрунтування достовірності та підтвердження об'єктивності одержаних результатів.

Відповідно до принципу роботи та будови лущильно-шліфувальний пристрій (рис. 4) має виконану у вигляді вертикально орієнтованого циліндра обмежуючу робочу зону ситову обічайку 1 радіусом R_о, закріплені на ній і виготовлені у формі зрізаних конусів розподільно-направляючі пристрої 2 з радіусом нижнього малого отвору r_д та установлені на вертикальному валу 3 радіусом r_о абразивні диски 4 радіусом R_д, які приводяться в обертальний рух з кутовою швидкістю _д. Край нижніх малих отворів розподільно-направляючих конусів 2 розташовано на висоті Н_п від робочої площини абразивних дисків. Запропонована фізична модель стану зернопродуктів у робочій зоні технологічної машини передбачає розгляд виділеної у просторі і обмеженої робочими органами зони, яка являє собою поле безпосередньої обробки, характеризується конкретними властивостями кожної точки і підлягає математичному аналізу. Обмеження поля безпосередньої обробки повинні мати пов'язані з фізичним змістом чіткі поверхні або площини розділу та граничні умови їх взаємодії їз зовнішнім простором. Аналіз властивостей та стану зернопродуктів у полі обробки виконується шляхом його умовного поділу на елементарні шари, форма яких повторює загальну форму поля обробки, а поверхні розділу утворюються як геометричне місце точок дотику граничних векторів швидкостей часток зернопродуктів. Необмежене стягування товщини елементарних шарів до мінімума обумовлює формування поверхонь відносного ковзання сумісних елементарних шарів. Таким чином, поверхні ковзання утворюють аналогічні за властивостями трубкам току рідини потоки сипкого матеріалу і, при умові наявності міжзернового тиску в межах поля обробки, допускають можливість використання закономірностей нерозривності потоків суцільних середовищ. Дотичні до поверхні ковзання площини вміщують вектори миттєвих швидкостей часток у точках дотику, виконують функції площадок ковзання і можуть слугувати основою для розкладу характеристик будь якої з часток на складові у довільних точках при визначенні їх стану.

Абсолютний рух та відносне проковзування послідовно розташованих шарів сипких зернопродуктів по робочих поверхнях та між собою спричиняє формування матеріального поля, характеристики конкретних точок якого (вектори, модулі та градієнти кінетичних і динамічних параметрів, фізичні та механічні властивості) визначаються в основному їх положенням по відношенню до робочих органів, геометричними та кінематичними параметрами останніх.

Прийнявши сипкий матеріал зернопродуктів як умовно суцільне середовище, переміщення часток в окремих його шарах можна розглядати як незмішувані потоки. Таким чином, зростання швидкості радіального руху часток у шарах зернопродуктів при збільшенні відстані їх положення від осі обертання обумовлює зменшення площі поперечного перетину потоків, що є реальним при товщині шарів, яка значно перевищує розміри часток. Таке положення спричиняє також відповідне формування вільної поверхні загального об'єму зернопродуктів на робочій площині абразивного диска, яка відповідає рівнянню z=f(). Останнє відкриває можливості визначення:

площі радіального перерізу поля обробки,

;

геометричного об'єму поля безпосередньої обробки

;

повного терміну перебування зернопродуктів у полі обробки

;

радіальної швидкості часток у довільному, поперечному (перпендикулярному потокам) перетині поля товщиною

h, ;

радіального прискорення часток у довільному перетині поля обробки,

,

де к -коефіцієнт проковзування шарів зернопродуктів;

кутової швидкості часток у довільних точках поля обробки,

;

колової швидкості часток у будь-якому поперечному перетині поля обробки

;

колового прискорення часток у довільних точках

;

кутового прискорення часток у довільних точках поля обробки

;

тангенса кута нахилу до горизонту площадок відносного ковзання суміжних по товщині шарів зерно продуктів

;

вертикальної швидкості часток у довільних точках поля безпосередньої обробки зернопродуктів,

;

вертикального прискорення часток у довільних точках

;

Враховуючи, що добуток міжзернового тиску у будь-якій точці поля безпосередньої обробки та величини елементарної площадки визначає силу фрикційної взаємодії частки, яка там знаходиться, з навколишнім середовищем, є можливість установити залежність елементарних сил взаємотертя при відносному рухові часток від координат довільних точок напрямках:

-радіальному,

,

-коловому,

,

-та вертикальному,



Таким чином, потужності, необхідні для подолання сил тертя при відносному рухові часток у довільних точках простору поля обробки зернопродуктів, визначаються як сума добутків елементарних сил тертя і їх відносних швидкостей у:

-радіальному напрямку,

;

-коловому напрямку,

;

-вертикальному напрямку,

.

Наявність максимальних значень міжзернового тиску в контактуючих з робочою поверхнею шарах зернопродуктів р_max є основою для розрахунків величини момента, прикладеного до поля безпосередньої обробки і необхідного для виконання корисної роботи лущення та шліфування

.

А необхідна для виконання корисної роботи загальна потужність

N=N+N+N_h

використовується для розрахунку кутової швидкості нижнього шару зернопродуктів, котра забезпечить підведення до поля безпосередньої обробки такої кількості енергії, яка необхідна для виконання корисної роботи для їх лущення та шліфування =N/M.

За умов рівності підведеної до поля обробки зернопродуктів та одержаної ним енергії, а відповідно і необхідної потужності без урахування непродуктивних втрат, відкривається можливість розрахунку теоретично необхідної кутової швидкості абразивного диска =f₀/ та інших кінематичних характеристик ротора і загалом лущильно-шліфувальної машини на стадії проектних розрахунків її параметрів.

Установлені конкретні залежності між згаданими характеристиками окремих шарів оброблюваних зернопродуктів та параметрами робочих органів є математичною моделлю робочої зони лущильної машини. Дослідження моделі відкриває можливості визначення параметрів робочих органів, які можуть забезпечити заздалегідь заплановані або бажані характеристики матеріального поля в зоні безпосередньої обробки зернопродуктів та одержати об'єктивні технологічно необхідні результати. Так для агрегатних установок продуктивністю 1,667; 0,056 та 0,007 кг/с визначено продуктивності п'яти- трьох та двохдискових лущильно-шліфувальних пристроїв (відповідно 1,5613; 1,607 та 0,0136 кг/с), прийнято зовнішній (0,2; 0,125 та 0,1 м) та внутрішній (0,1; 0,075 та 0,05 м) радіуси абразивного диска і величини вхідного (0,04; 0,022 та 0,024 м) та вихідного (0,01; 0,008 та 0,006 м) зазорів і розраховано терміни обробки (0,8364; 1,8528 та 14,4032 с), необхідні потужності (5832,0; 883,1 та 328,9 Вт), величини крутних моментів на роторах пристроїв (118,8; 16,8 та 6,1 Нм) та їх кутові швидкості (49,1; 52,6 та 54,3 рад/с).

Перевіркою параметрів експериментального зразка лущильно-шліфувального пристрою установлені середні значення його продуктивності Q=385,7; 674,1 та 387,6 кг/г (0,1071; 0,1872 та 0,1067 кг/с), загальні ефективності обробних операцій 0,263; 0,7386 та 0,7478 при переробці відповідно зерна пшениці, ячменю та гороху і підтверджена достовірність одержаної математичної моделі та обгрунтованість її використання для проектних розрахунків такого устаткування.

У шостому розділі представлено конструктивно-функціональні рішення створеного за результатами дисертаційної роботи агрегатного устаткування для виробництва круп у автономних умовах фермерських господарств та малих переробних підприємств, наведено дані виробничих випробувань, установлені рівні продовольчого використання зерна та підраховані технологічна, технічна, загальна та економічна ефективність впровадження результатів роботи у виробництво і довготермінової промислової експлуатації одержаного технічного забезпечення.

Відповідно до рекомендацій механіко-технологічних основ мало-, міні- та мікрогабаритне агрегатне устаткування характеризується короткою послідовністю обробних операцій та енергетично оптимальними режимами їх виконання. Установки компонуються на загальній рамі, пристосовані до перевезень, відповідають умовам безфундаментного монтажа, задовільняють вимогам безпечної експлуатації і можуть розміщуватись у будь яких приміщеннях промислових будівель відповідних розмірів, що відповідають вимогам пожежо-вибухобезпеки.

Малогабаритна агрегатна установка для переробки зерна злакових та бобових культур в крупи призначена для виготовлення пшеничних, ячневих, кукурудзяних, горохових та інших номерних крупів. Агрегат складається (рис. 5, а) з функціонально пов'язаних елементів і включає приймальний бункер 1 для вхідного зерна, норію 2 для підіймання продуктів на переробку, оснащену магнітним сепаратором 3 для виділення металодомішок, два оперативні бункери 4 та бункер готової продукції 5. Основні обробні операції виконуються в абразивно-дисковій лущильно-шліфувальній машині 6, повітряному сепараторі 7, вальцевому подрібнювачі 8 та ситовому сепараторі 9. Необхідні умови експлуатації агрегату забезпечені системою аспірації, яка складається з матеріало-повітрепроводів, вентилятора 10, циклона 11 та збірника побічних продуктів обробки зерна 12.

Окрема порція підготовленого зерна (суцільна стрілка) підлягає лущенню на машинах фрикційного навантаження і наступній повітряній сепарації продуктів обробки (штрих-пунктирна стрілка) для вилучення мучки та лузги (хвилясто-пунктирна стрілка). Одержана суміш ядра та нелущеного зерна (штрихова стрілка) надходить на повторну обробку для одночасного лущення залишків цілого зерна та шліфування наявного ядра. Одержаний в результаті декількох пропусків-циклів пенсак (шліфоване ядро) надходить до вальцевого станка і після подрібнення підлягає остаточному сортуванню суміші крупок ситовим сепаратором на готову продукцію. Використання шести змінних сит 1В...3В та 1Н...3Н, що відповідають вимогам Правил, забезпечують виготовлення нешліфованої крупи від 3-х до 5-ти номерів за розмірами часток.

Таблиця 4. Виходи продуктів переробки зерна в крупи (%), виготовлені за розвиненими та запропонованими технологічними процесами

Крупи	Перлова	Ячнева	Пшенична	Кукурудзяна	Горохова
Характерист. продукції	ПКР	Нор-ма	ПКР	Нор-ма	ПКР	Нор-ма	ПКР	Нор-ма	ПКР	Нор-ма
№1			20,1	16,7
№2			32,6	47,8
№3			7,4	7,7
№1, №2	40,5	39,1			23,9	8,6
№3, №4	14,5	8,7			46,3	46,2
№5	10,0	1,1
№1,...,5							51,3	41,7
Артек					11,0	12,9
Цілий									43,8	52,5
Колотий									36,6	33,5
Вихід	65,0	48,9	60,1	72,2	81,2	67,7	51,3	41,7	80,4	86,0
Мучка	25,0	43,5	39,9	20,0	18,8	32,3	37,8	35,4	12,1	6,7
Лузга	10,0	7,6		7,8					7,5	7,3
Борошно							10,9	15,6
Кр. зародк.								7,3

Проведені виробничі випробування та довготермінова експлуатація малогабаритної установки для виробництва круп підтвердили обґрунтованість застосування нового агрегатного обладнання для переробки зерна на малих підприємствах або в фермерських господарствах.

Одержані результати (табл. 4) свідчать про орієнтовну відповідність реальних виходів перерахованим на очищене зерно їх нормативним значенням. При цьому загальний вихід перлових крупів виявився на 16,1% більшим нормативного внаслідок значного скорочення операцій шліфування. Загальний вихід ячневих крупів виявився на 12,1% меншим нормативного при збільшенні на 3,4% виходу крупів першого номеру, яка не підлягає подрібненню.

Підвищення загального виходу пшеничних крупів на 13,5% у порівнянні з нормативним, обумовлене високою ефективністю роботи лущильно-шліфувальної машини та зменшенням втрат ендосперму з мучкою.

Загальний вихід п'ятиномерних кукурудзяних крупів збільшується майже на 10% за рахунок використання зародку (7,3%) у складі готової продукції та зменшення (на 4,7%) кількості борошна, одержаного у процесі подрібнення ядра.

При виробництві горохових крупів загальний вихід на 5,6% нижчий від нормованого значення, але вихід цілого гороху зменшився на 8,7%, а вихід колотого гороху збільшився на 3,1% в порівнянні з нормативними значеннями.

Мікрогабаритні установки для індивідуального виготовлення крупів призначені для переробки окремих порцій зерна в крупи безпосередньо перед їх використанням. Вони виготовляються у настольному варіанті і пристосовані для використання в умовах домашніх господарств або підприємств харчування.

Мікрогабаритний крупорушальний агрегат (рис. 5, б) включає вертикальний циліндричний корпус 1, розміщений на кришці завантажувальний бункер 2 (суцільна стрілка) з системою регулювання подачі та аспірації, і установлений на верхньому хвостовику вала електродвигуна М ротор із закріпленою на пустотілій маточині абразивною чашкою 3. Нижня частина маточини виготовлена у вигляді розширеного донизу розвантажувального конуса, розташованого на рівні випускного патрубка для крупів 4 (штрихова стрілка). З внутрішньої та зовнішньої сторони чашки ротора розміщені з можливістю вертикального переміщення зрізано-конічні деки 5, які виготовлені з решітного полотна і обмежують робочу зону. На нижньому хвостовику вала електродвигуна М закріплено крильчатку вентилятора 6 для аспірації робочої зони та виведення відходів обробки (хвилясто-пунктирна стрілка) крізь патрубок 7. Особливістю агрегату є використання процесу періодичної обробки необхідної за обсягом порції зерна різних культур шляхом послідовного обрушування, лущення та шліфування і повітряної сепарації побічних продуктів оборобки та готової продукції. Передбачене ручне завантаження агрегата та раціональна компоновка технологічних пристроїв відкидає необхідність оснащення установки транспортними засобами і дозволяє до мінімума скоротити її габаритні розміри. Розширений діапазон регулювання зазорів робочої зони та режимів повітряної сепарації допускає можливість переробки в крупу зерна всього існуючого діапазону варіацій гранулометричного складу.

Для порівняння створеного і існуючого устаткування і виробничих процесів застосовано запропонований показник - рівень продовольчого використання зерна. Оскільки розподіл анатомічних частин між продуктами переробки зерна однозначно відтворюється аналогічним розподілом їх ключових речовин (е-ендосперм =крохмаль, о-оболонки=клітковина, з-зародок=жири та а-алейроновий шар=зола), є можливість скласти систему рівнянь матеріального балансу кожної з ключових речовин між окремими анатомічними частинами та одержаними продуктами переробки зерна пшениці. Вирішення такої системи дозволяє визначити (табл. 5) дольові кількості відповідних анатомічних частин зерна у продуктах його переробки та розрахувати рівні U_j їх продовольчого використання у готовій продукції.

Виготовлені за розвиненим технологічним процесом крупи полтавська №1 та №2 практично позбавлені оболонок та зародку, а запропоноване агрегатне устаткування дозволяє використати для їх формування 2,4% оболонок і значну кількість (14%) зародку. Крім цього, для формування крупів перших номерів на комплектному обладнанні використовується майже у два рази більше алейронового шару (6,1%) ніж в умовах запропонованої технології (3,7%). Рівень продовольчого використання ендосперму (табл. 5) при запропонованій (94,0%) технології значно перевищує цей показник (78,2%) при традиційній технології. Для зародку ці значення становлять відповідно 37,9 та 31,0%, що майже не впливає на терміни зберігання круп, але забезпечує значне підвищення енергетичної насиченності не тільки крупи артек, а також і всієї готової продукції. Слід також підкреслити, що підвищення рівня продовольчого використання алейронового шару (від 31,3 до 32,1%), сприяє поліпшенню якості крупів за рахунок збільшення вмісту вітамінів, мікроелементів, ферментів та інших біологічно активних речовин у готових продуктах.

Таблиця 5. Розподіл анатомічних частин зерна пшениці між продуктами його переробки в крупи

Процеси, засновані на	комплектному обладнанні	агрегатному устаткуванні
Продукти	е	о	а	з	е	о	а	з
Полтавська №1 та №2	0,098	0,000	0,061	0,000	0,278	0,024	0,037	0,140
Полтавська №3 та №4	0,548	0,000	0,216	0,000	0,547	0,019	0,000	0,210
Артек	0,136	0,015	0,036	0,310	0,115	0,008	0,284	0,029
Всього в крупах	0,782	0,015	0,313	0,310	0,940	0,051	0,0321	0,379
Мучка кормова	0,218	0,985	0,687	0,690	0,060	0,949	0,679	0,621
Всього	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
Uj, %	78,2	1,5	31,3	31,0	94,0	5,1	32,1	37,9

Якість готової продукції однозначно залежить від її хімічного складу по поживним, цінним та біологічно активним речовинам і оцінюється розподілом анатомічних частин зерна між крупами В_гпj та побічними В_ппj продуктами. Це дає можливість прогнозу ефективностей виробництва на стадії проектних розробок устаткування. Так, наприклад, для розглянутих розвиненого та компактного технологічних процесів переробки зерна пшениці в крупи одержимо значення:

-технологічної ефективності

Е^р_т=В^р_ппо/В_о=о^р_мч/1=0,985 та Е^к_т=В^к_ппо/В_о=о^к_мч/1=0,949;

-технічної ефективності

Е^р_м=В^р_гпе/В_е=(е^р₁₂+е^р₃₄+е^р_Ар)/1=0,782

Е^к_м=В^к_гпе/В_е=(е^к₁₂+е^к₃₄+е^к_Ар)/1=0,940;

-загальної ефективності реалізації технологічного процесу

Е^р=Е^р_т Е^р_м=0,77 та Е^к=Е^к_т Е^к_м=0,89.

Співставлення технічної та загальної ефективності реалізації технологічних процесів переробки зерна пшениці в крупи свідчить про суттєві переваги агрегатного устаткування перед комплектним обладнанням. Це підтверджується і результатами розрахунків технічної ефективності або рівня продовольчого використання:

-речовин алейронового шару

Е^р_м=В^р_гпа/В_а=(а^р₁₂+а^р₃₄+а^р_Ар)/1=0,313

Е^к_м=В^к_гпа/В_а=(а^к₁₂+а^к₃₄+а^к_Ар)/1=0,321;

-речовин зародку

Е^р_м=В^р_гпз/В_з=(з^р₁₂+з^р₃₄+з^р_Ар)/1=0,310

Е^к_м=В^к_гпз/В_з=(з^к₁₂+з^к₃₄+з^к_Ар)/1=0,379.

Аналіз рівнів використання анатомічних частин зерна (табл 5) та рівнів продовольчого використання його біополімерів (табл. 6) підтвердив переваги агрегатного устаткування в умовах децентралізованої переробки зерна в крупу.

Таблиця 6. Співставлення рівнів продовольчого використання складових зерна (%) при переробці його в крупи на комплектному обладнанні та на агрегатному устаткуванні

Продукція, технічне забезпеч.	Ендосперм	Оболонки	Алейрон. шар	Зародок	Крохмаль	Білки	Цукор	Жири	Клітковина	Зола
Крупи Полтавська та Артек
Комплект.	78,2	1,5	31,3	31,0	75,4	67,8	34,0	38,2	10,3	31,9
Агрегатне	94,0	5,1	32,1	37,9	90,4	80,5	40,6	43,1	15,4	35,1

Розрахунки економічної ефективності впровадження одного малогабаритного агрегата продуктивністю 0,2 т/г у виробництво свідчать, що виробництво крупів супроводжується фактичними прибутками протягом першого року їх експлуатації і складає для зерна пшениці - 89,6 тис. грн і для зерна гороху - 84,7 тис. грн.

Такий прибуток може забезпечити відшкодування витрат підприємства 25 тис. грн на купівлю агрегатної установки протягом

С_о=Ц/Ф_п=25/89,625/84,6580,29 року,

що орієнтовно складає біля 3,5 місяців.

Позитивні значення технологічної, технічної, енергетичної та економічної ефективності впровадження малогабаритного агрегату для виробництва крупів свідчить про:

- наукову обгрунтованість механіко-технологічних основ процесів та агрегатного устаткування для виробництва круп, створених як результат наведених у даній роботі теоретичних і експериментальних досліджень та проектних рішень, призначених для реалізації загальних напрямків розвитку і можливостей децентралізації зернопереробної промисловості України;

- технологічну доцільність розроблених компактних технологій, прийнятих функціональних рішень та запропонованих режимів виконання операцій в автономних умовах використання при виготовленні крупів у регіонах вирощування сировини, споживання готової продукції та утилізації побічних продуктів;

- технічну раціональність запропонованих принципів дії, параметрів робочих органів створених малогабаритних елементів, прийнятих конструктивних рішень та компоновки їх блоків у агрегатному устаткуванні для малих переробних підприємств та фермерських господарств.

Висновки

1. Створено механіко-технологічні основи процесів та агрегатного устаткування для децентралізованої переробки зерна, які спрямовані на вирішення актуальної проблеми подальшого розвитку галузі хлібопродуктів шляхом обгрунтування компактних технологій та розробки технічного оснащення для автономного виготовлення крупів на малих підприємствах і в цехах фермерських господарств з метою підвищення ефективності комплексної переробки зерна, розширення можливостей централізованих виробництв і оперативного задовільнення вимог та попиту споживачів.

2. Установлені відношення кількостей складових частин зерна у готовій продукції до наявності їх у сировині та доведена чинність іх застосування для оцінки рівня продовольчого використання складових частин і зерна в цілому при переробці його в крупи та порівняння різних видів устаткування. Визначені при виготовленні пшеничних, ячневих, кукурудзяних та горохових крупів рівні продовольчого використання основних поживних речовин зерна на агрегатному устаткуванні (відповідно 90,49; 80,54; 40,66 та 43,12 %) засвідчили його переваги над існуючим (75,46; 67,83; 34,09 та 38,24 %) комплектним обладнанням. Удосконалено показники технологічної, технічної та енергетичної ефективності і установлено детерміновані зв'язки їх з показниками рівня продовольчого використання анатомічних частин зерна. Доведена можливість їх застосування для визначення ефективності різних технологій. При переробці зерна пшениці, ячменю і гороху загальна ефективність (5,13%) складала 0,263; 0,7386 і 0,7478 - для компактних та 0,320; 0,502 і 0,778 - для розвинених технологічних процесів.

3. Запропоновано методичні основи аналізу існуючих технологій виробництва круп, синтезу компактних технологічних процесів та оптимізації режимів обробки зерна злакових та бобових культур. Застосуванням теорії графів визначено напрямки скорочення складу виробничих ліній, виконано суміщення однотипних основних операцій, об'єднання подібних за властивостями потоків, перетворення простих циклів у складні та усунення другорядних операцій і створені компактні процеси та обгрунтована структура агрегатного устаткування для виготовлення пшеничних, гречаних та інших крупів. Установлено оптимальні значення технологічної ефективності лущення-шліфування зерна пшениці (0,667) та обрушування зерна гречки (0,422), які забезпечують мінімальні витрати енергії.

4. Розроблено теоретичні основи обґрунтування технологічних параметрів функціональних елементів агрегатних установок. З використанням теорії рядів створено математичні моделі статики та кінетики циклічної і рециркуляційної технологій переробки зерна з міцними та слабкими зв'язками між оболонками і ядром, за результатами аналізу яких установлені залежності продуктивностей агрегатних установок в цілому від продуктивностей головних функціональних елементів. Розраховані продуктивності, наприклад, агрегату для виготовлення гречаних крупів та обрушувального пристрою, знаходяться в обернено пропорційній залежності від ефективності останнього.

5. Обґрунтовано теоретичні основи створення і аналізу математичної моделі форми зерна пшениці, його геометричних та масових характеристик, які застосовано для визначення параметрів робочих зон лущильно-шліфувальних машин і рекомендовано для кількісної оцінки якості зерна. Відношення площі поперечного перетину до периметра та об'єму до площі поверхні використано для розрахунку добротності та виповненості зерен. Запропонована методика придатна для аналізу геометрії зерна інших культур і є необхідною умовою обґрунтування проектних рішень робочих зон технологічних машин будь-якого призначення;

6. Застосовано прилади для дослідження фізико-технологічних властивостей зерна різних культур, необхідних для обґрунтування принципу дії та параметрів функціональних елементів агрегатного устаткування. Експериментально установлені (наприклад, для зерна пшениці) показники міцності зв'язків (з точністю 18,6%) між плодовими та насінєвими оболонками і ядром (відповідно 91...136 та 173...212 Н/м), межі міцності (5,6%) оболонок при розтягу їх вподовж та поперек волокон (18,0...22,4 та 6,5...11,0 МН/м²), межі міцності (5,9%) зерна та ядра (8,5...14,0 та 7,6...12,0 МН/м²) при зсуві і коефіцієнти тертя (0,54...0,74) та опору зсуву (0,29...0,65) шарів зернопродуктів. З використанням одержаних результатів обґрунтована необхідність оснащення робочої зони пристроєм для створення та стабілізації міжзернового тиску, установлена мінімально необхідна (3,5 кН/м²), технологічно доцільна (4,5 кН/м²) і максимально допустима (0,9 МН/м²) величини міжзернового тиску та рекомендовано інтервал (3,04 ... 28,3 м/с) для визначення швидкості відносного переміщення шарів зерна та робочих органів.

7. Створено фізичні та математичні моделі процесів у головних функціональних елементах, які використано для обґрунтування параметрів робочих органів лущильно-шліфувальних машин. Проведено дослідження моделі процесу фрикційного відділення покривних тканин зерна пшениці на агрегатних установках продуктивністю 1,667; 0,056 та 0,007 кг/с та визначено продуктивності п'яти трьох та двохдискових лущильно-шліфувальних пристроїв (відповідно 1,5613; 1,607 та 0,0136 кг/с), прийнято зовнішній (0,2; 0,125 та 0,1 м) та внутрішній (0,1; 0,075 та 0,05 м) радіуси абразивного диска і величини вхідного (0,04; 0,022 та 0,024 м) та вихідного (0,01; 0,008 та 0,006 м) зазорів і розраховано терміни обробки (0,8364; 1,8528 та 14,4032 с), необхідні потужності (5832,0; 883,1 та 328,9 Вт), величини крутних моментів на роторах пристроїв (118,8; 16,8 та 6,1 Нм) та їх кутові швидкості (49,1; 52,6 та 54,3 рад/с).

8. Розроблено проектні рішення функціональних елементів для виконання головних операцій компактних технологічних процесів, які застосовано в реальних конструктивних розробках окремих компоновочних блоків агрегатного устаткування. Проведеними у виробничих умовах випробуваннями виготовлених головних блоків для класифікації вихідного зерна на фракції, його лущення або обрушування ядра, круповідділення та сортування готової продукції, підтверджена пристосованість до умов експлуатації та переваги їх використання для компоновки агрегатних установок. Одержані показники технологічної (0,985 та 0,949), технічної (0,782 та 0,940) і загальної (0,77 та 0,89) ефективності переробки зерна пшениці в крупи (віповідно за розвиненою та компактною технологіями), свідчать про суттєві переваги агрегатного устаткування перед існуючим.

9. Впроваджене у виробництво агрегатне устаткування для автономного виготовлення крупів підтвердило достовірність розроблених механіко-технологічних основ та доцільність їх практичного застосування для вирішення проблеми децентралізації системи переробки зерна в крупи, обгрунтування компактних технологічних процесів та створення технічного забезпечення малих круп'яних підприємств мало-, міні- та мікрогабаритними агрегатами, які за продуктивністю відповідають вимогам параметричного ряду існуючого обладнання.

10. Довготермінова експлуатація крупорушальних агрегатів показала доцільність прийнятих технологічних параметрів, раціональність одержаних технічних рішень та економічну ефективність впровадження результатів роботи у виробництво і підтвердила достовірність висновків та рекомендацій механіко-технологічних основ і необхідність їх практичного використання при розробці агрегатного устаткування для децентралізованого виготовлення крупів безпосередньо в регіонах вирощування сировини, споживання готової продукції та утилізації побічних продуктів виробництва. Впровадження одного малогабаритного агрегата для виробництва круп продуктивністю 0,2 т/г супроводжується фактичними прибутками на протязі першого року його експлуатації, які складають для зерна пшениці - 89,6 тис. грн і для гороху - 84,7 тис. грн, що забезпечує відшкодування витрат підприємства на купівлю устаткування протягом 3,5 місяців.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Вайнберг А.А., Гросул Л.И. Основы ремонта и монтажа оборудования предприятий по хранению и переработке зерна: Учеб. пос. для вузов. -М.: Колос, 1992. -304 с.

2. Гросул Л.И., Котляр Л.И., Дударев И.Р. К оценке технологической эффективности шелушения зерна // Изв. ВУЗов, Пищевая технология. -1977. -№5. -С. 62-65.

3. Гросул Л.И., Поляков В.Я., Шипко И.М. Малогабаритное оборудование для переработки зерна // Пищевая и перерабатывающая промышленность. -1992. -№8. -С. 27.

4. Гросул Л. Агрегатное оборудование для переработки зерна // Техника АПК. -1999. -№1. -С. 42.

5. Гросул Л. Застосуйте універсальний круповідділювач // Зерно і хліб. -2000. -№2. -С. 36.

6. Гросул Л.Г. Нові крупорушальні агрегати // Хранение и перераб зерна. -2000. -№10. -С. 38-39.

7. Гросул Л.Г. Ефективність обробних операцій при виготовленні крупи на агрегатному устаткуванні // Хранение и перераб. зерна. -2000. -№12(18). -С. 47-49.

8. Гросул Л.Г. Використання потенціалу зерна пшениці в умовах автономного виробництва круп // Зернові продукти і комбікорми. -2001. -№4. -С. 30-33.

9. Гросул Л.Г., Поляков В.Я. Малогабаритна агрегатна установка для реалізації компактного технологічного процесу переробки зерна в крупу // Хранение и перераб. зерна. -2002. -№1(31). -С. 43-45.

10. Гросул Л. Гречані крупи - на малогабаритних агрегатах і за компактною технологією // Зерно і хліб. -2002. -№2. -С. 49.

11. Гросул Л.Г. Аналіз енерговитрат при виробництві крупів у лініях з рециркуляційними потоками//Холодильна техніка і технологія. -2002. -№1. -С. 64-66.

12. Обоснование обобщенного критерия количественно-качественной оценки уровня продовольственного использования зерна / И.Р.Дударев, Л.И.Гросул, В.Ф.Санчез, В.Ф.Петько, В.В.Трубов // Технол. и оборуд. пищ. пром-сти и пищ. машиностроение: Межвуз. сб. науч. тр. -Краснодар: Политехн. ин-т, 1986. -С. 90-96.

13. Гросул Л.Г. Обгрунтування проектних рішень устаткування для виробництва крупи у фермерських господарствах // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса: 1994. Вип. 15. -С. 128-136.

14. Вайнберг А.А., Гросул Л.Г., Кіржнер І.Л. Деякі методичні підходи до оптимізації параметрів устаткування зернопереробних виробництв // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України.-Одеса: 1994. -Вип. 15. -С. 145-149.

15. Гросул Л.Г. Геометрія зерна пшениці в зв'язку з розробкою мікрокрупорушок // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. Вип. 16.-Одеса: 1996. -С. 167-175.

16. Поляков В.Я., Гросул Л.Г., В.Ф.Петько. Обгрунтування і дослідження живильника крупорізки // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України.-Одеса: 1996. -Вип. 16. -С. 176-183.

17. Гросул Л.Г. Реологія зерна пшениці у зв'язку з розробкою мало-, міні- та мікрогабаритного крупорушального устаткування // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса ОКФА: 1997. Вип. 17. -С. 145-157.

18. Поляков В.Я., Гросул Л.Г. Визначення середньозваженого розміру часток зернопродуктів і коефіцієнта подрібнення по ударній силі падаючого потоку // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса ОКФА: 1997. -Вип. 17. -С. 138-145.

19. Гросул Л.Г. Фрикційні властивості зерна в зв'язку з розробкою агрегатного крупорушального устаткування // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. Вип. 18,-Одеса: 1998. -С. 126-132.

20. Гросул Л.Г. Аналіз та синтез технологій виробництва крупи на агрегатному устаткуванні. // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса: 1999. Вип. 19. -С.196-201.

21. Гросул Л.Г. Методичні основи розрахунків обладнання для гречерушального агрегата // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса: 1999. -Вип. 19. -С. 201-206.

22. Гросул Л.Г. Використання анатомічних частин зерна при виробництві крупи на агрегатному устаткуванні. // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса: 1999. Вип. 20. -С. 257-262.

23. Гросул Л.Г. Оптимізація режимів агрегатного обладнання для переробки зерна пшениці в крупу // Наук. пр. ОДАХТ/М-во освіти України. -Одеса: 2001. Вип. 21. -С. 162-168.

24. Малогабаритный технологический комплекс для хранения и переработки семян подсолнечника. /Л.И.Гросул, Г.Н.Станкевич, В.А.Благодарский, В.Е.Гаро, Л.Ф.Будюк. Вісн. Харківського держ. Техн. університету сільського господарства “Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв”. -Харьків: Мінагрополітики України. -2001. -Вип. 5. -С. 261-268.

25. Прибор для определения механических характеристик зерновок и их анатомических частей: А.с. №395773 СССР, МКИ G01 N 33/02 /С.Я.Поляков, И.Р.Дударев, В.Я.Поляков, Л.И.Котляр и Л.И.Гросул (СССР). -№1253256/28-13; Заявлено 05.07.68; Опубл. 28.08.73, Бюл. №35. 4 с.ил.

26. Машина для непрерывного шелушения зерна: А.с. 420332 СССР, МКИ В 02 B 3/02 /И.Р.Дударев, Л.И.Котляр, И.К.Кравченко, А.И.Меньшенин, П.П.Тарутин, В.П.Зайцев, Л.И.Гросул и А.Н.Киселев (СССР). -№1716038/28; Заявлено 19.11.71; Опубл. 25.03.74, Бюл. №11. -4 с.ил.

27. Машина для непрерывного шелушения зерна: А.с. 462608 СССР, МКИ B 02 B 3/08 /П.П.Тарутин, И.Р.Дударев, Л.И.Котляр, Л.И.Гросул, И.К.Кравченко, А.Н.Киселев, А.И.Меньшенин, В.П.Зайцев и А.Е.Баум (СССР). -№1908279/28; Заявлено 16.04.73; Опубл. 05.03.75, Бюл. №9 -4 с.ил.

28. Шелушильная машина для зерна: А.с. 518228 СССР, МКИ B 03 B 3/02 /Л.И.Гросул, А.Н.Киселев, Л.И.Котляр и В.Я.Поляков (СССР). -№1966715/13; Заявлено 17.10.73; Опубл. 25.06.76, Бюл. №23. -3 с.ил.

29. Машина для непрерывного шелушения зерна: А.с. 596279 СССР, МКИ B 02 B 3/02 /И.Р.Дударев, Л.И.Котляр, И.К.Кравченко, П.П.Тарутин, А.Н.Киселев, Л.И.Гросул, А.В.Ульяницкий, Е.А.Банит и А.К.Чернобровко (СССР). -№2189511/13; Заявлено 14.11.75; Опубл. 05.03.78, Бюл. №9. -5 с.ил.

...