Дослідження процесу подрібнення зернових продуктів і розроблення нової конструкції кулькового подрібнювача

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

БОЙКО ЮРІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 664.71.05: 664.734

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПОДРІБНЕННЯ ЗЕРНОВИХ ПРОДУКТІВ І РОЗРОБЛЕННЯ НОВОЇ КОНСТРУКЦІЇ КУЛЬКОВОГО ПОДРІБНЮВАЧА

05.18.12 процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Сухенко Юрій Григорович,

Національний університет харчових технологій, професор кафедри матеріалознавства та технології машинобудування

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Михайлик Віктор Дмитрович,

Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри екології і безпеки життєдіяльності

доктор технічних наук, професор

Гуць Віктор Степанович,

Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри охорони праці та цивільної оборони

Провідна установа: Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц. В.Л. Зав'ялов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день актуальним для харчової та переробної промисловості України є створення прогресивних технологій, застосування яких дозволить здійснювати більш повну переробку рослинної сировини, а також інтенсифікувати існуючі технологічні процеси і розширить межі їх використання. подрібнення зерновий кульковий подрібнювач

За умови збереження наявних переваг великих підприємств доцільна ефективна децентралізація переробки зерна та насіння в продовольчі товари шляхом створення розвиненої системи малих підприємств та цехів фермерських господарств для виготовлення борошняних продуктів безпосередньо в регіонах вирощування сировини, споживання готової продукції. Для цього потрібно розширити функціональні можливості існуючих подрібнювальних машин. Вирішення такої задачі суттєво стримується відсутністю належного технологічного і технічного забезпечення переробки в зернових в умовах малих підприємств.

Млини, які виробляються машинобудівними заводами, в основному, розраховані на переробку зерна пшениці, жита, гречки тощо. При використанні допоміжної сировини і збагачувальних добавок рослинного походження у виробництві хлібобулочних та кондитерських виробів необхідне їх подрібнення до заданої крупності. Перспективним є використання такого обладнання, яке дозволяє скоротити тривалість технологічного процесу, зменшити його енергоємність і підвищити ступінь подрібнення. Для цього подрібнювальні машини повинні забезпечити реалізацію процесів подрібнення зернових, які одночасно поєднують пластичне деформування оболонок зерен і крихке деформування їхніх ядер, що сприяє зменшенню енерговитрат при подрібненню.

Таким чином, актуальним є впровадження найменш енергозатратних процесів на малогабаритному обладнанні, яке забезпечує новий спосіб здрібнення, що дозволяє розширити асортимент помелів і підвищити якість продуктів харчування на їх основі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження, виконані автором дисертаційної роботи, є частиною планової науково-дослідної роботи кафедри матеріалознавства та технології машинобудування НУХТ і спрямовані на вирішення науково-технічної проблеми з впровадження нової техніки в рамках комплексної програми “Підвищення надійності і довговічності машин і конструкцій”, яка відповідає Програмі Кабінету Міністрів “Україна 2010” (проект 4 - “Технологічне та технічне оновлення виробництва” від 26.02.1998 р. № 43-98 р.). Робота виконувалась відповідно до пріоритетного напрямку наукової діяльності НУХТ “Розробка наукових основ тепломасообмінних та інших робочих процесів в харчових виробництвах з метою створення нового високоефективного обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових і переробних галузей”. Код науково-технічної діяльності 1. 216.

Автор особисто приймав участь розробленні методик проведенні лабораторних та промислових досліджень, обробленні та аналізі отриманих результатів, розробленні технічної документації на виготовлення дослідно-промислового зразка.

Мета і завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є дослідження процесу подрібнення зернової сировини (шроту льону, амаранту, зерна пшениці) і розробка конструкції нового кулькового подрібнювача та забезпечення його належної працездатності.

У відповідності з поставленою метою були сформульовані основні задачі роботи:

- розробити математичну модель взаємодії кульок і подрібнюваного продукту;

- визначити раціональні конструктивні параметри подрібнювача та проаналізувати їх вплив на процес і показники подрібнення;

- розробити новий ефективний подрібнювач зернових продуктів, в якому робочий процес здрібнення здійснюється за допомогою кульок з цілеспрямовано обмеженими ступенями свободи;

- оптимізувати кінематичні і динамічні переваги подрібнювача, виходячи з характеристик міцності зернових, і визначити раціональні геометричні параметри основних робочих органів млина;

- розрахувати продуктивність подрібнювача та дослідити ефек-тивність здрібнення зернової сировини у ньому;

- розробити практичні рекомендації щодо застосування кулькового млина в загальній технологічній схемі подрібнення сировини і оцінити економічну ефективність його використання.

Об'єкт дослідження: процес подрібнення зернової сировини кульками.

Предмет дослідження: кульковий подрібнювач, продуктивність, енергозатратність, ефективність процесів і якість подрібнення.

Методи дослідження: сучасні методи математичного моделювання процесів розмелювання зернових продуктів та статистичного аналізу дослідних даних, традиційні та удосконалені теоретичні і експериментальні методи дослідження ефективності, енергоємності і якості подрібнення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- запропоновано і реалізовано спосіб подрібнення зернових продуктів кульками з одночасним використанням деформацій стиску та зсуву;

- експериментально підтверджена ефективність одночасного деформування сировини стисканням та зсувом за допомогою кульок з обмеженим ступенем свободи;

- доведено можливість регулювання силових параметрів та швидкості деформування розмелюваного продукту;

- розроблена адекватна математична модель подрібнення і на її основі визначені необхідні руйнівні зусилля в залежності від структурно-механічних властивостей подрібнюваного матеріалу та визначені раціональні конструктивні параметри подрібнювача;

- визначено раціональні геометричні параметри робочих органів кулькового подрібнювача, що забезпечують необхідну якість подрібнення і продуктивність млина;

- запропоновано математичні залежності для розрахунку продуктивності нових кулькових подрібнювачів;

- теоретично обґрунтована і експериментально підтверджена перспективність використання принципово нової конструкції кулькового подрібнювача, в якому застосовано оригінальний спосіб подрібнення кульками, що забезпечує необхідний ступінь дисперсності і знижує питомі витрати енергії.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований новий спосіб тонкого подрібнення матеріалів і пристрій для його здійснення, який захищений патентом України № 65015 А від 15.03.04 р. Розроблений кульковий млин, який захищений патентом України № 58321 А від 15.07.03 р.

Знайдені раціональні параметри основних конструктивних вузлів нового подрібнювача і оптимізований процес подрібнення з його використанням. Розроблена технічна документація та виготовлений дослідно-промисловий зразок кулькового подрібнювача, який випробуваний у виробничих умовах ТОВ „Імона”, прийнятий до серійного виробництва ПП „Плазма”. Якість одержаних продуктів підтверджена Державним центром сертифікації і експертизи зерна та продуктів його переробки.

Особистий внесок здобувача. Огляд літературних джерел та їх аналіз, постановка завдання досліджень, розробка методики досліджень, збір статистичної інформації, її обробка, розрахунок конструктивних параметрів млина, виготовлення дослідно-промислового зразка, перевірка працездатності, експериментальні дослідження процесу подрібнення в лабораторних та промислових умовах виконані особисто здобувачем.

Загальний план роботи, програма досліджень, основні принципово нові ідеї отримання дисперсних продуктів, розробки і висновки, модель кулькового подрібнювача, основні засади винаходів запропоновані і виконані автором разом з науковим керівником д.т.н., проф. Сухенком Ю.Г. Дослідження ефек-тивності нових конструктивних розробок проведені за підтримки к.т.н., доц. Білого В.І. Порівняльна характеристика якості дрібнодисперсних продуктів виконувалась в лабораторіях Коледжу ресторанного господарства та кафедри технології зберігання і переробки зерна НУХТ за участю наукового керівника, к.т.н. Волощук Г.І., к.т.н. і доц. Янюк Т.І.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на 67-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (УДУХТ, Київ, 2001 р.), 69-й, 70-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (НУХТ, Київ, 2003 - 2004 рр.), Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів ”Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості” (НУХТ, Київ, 2002 р.) та наукових семінарах кафедр машин і апаратів, технологічного обладнання харчових виробництв, матеріалознавства та технології машинобудування НУХТ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових робіт, з них 3 статті у фахових виданнях, одержано 2 патенти України.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку із 145 бібліографічних джерел та 9 додатків. Робота викладена на 120 сторінках машинописного тексту, містить 45 рисунків та 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та основні завдання досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичну цінність роботи. Наведено відомості про особистий внесок автора, апробацію та опублікування результатів, структуру та обсяг роботи.

У розділі 1 „Аналітичний огляд сучасного рівня розвитку борошномельного обладнання” наведено теоретичні основи подрібнення та фактори, які впливають на ефективність процесу подрібнення, а також характеристику та класифікацію конструкцій борошномельних млинів.

Розглянуті відомі способи подрібнення зернових продуктів. Обґрунтовано доцільність розроблення нового способу подрібнення зернових продуктів та пристрою для його здійснення. Показано можливість зменшення енерговитрат на процес подрібнення та можливість отримання продуктів заданої крупності за умови одночасної дії на розмелювальні частинки зсувних і стискаючих деформацій у відповідному співвідношенні.

Обґрунтовані основні напрямки та наведено конкретні завдання досліджень.

У розділі 2 „Методика проведення досліджень” викладено методи досліджень, описано програму, план, методики теоретичних і експериментальних досліджень та математичної обробки даних, лабораторне обладнання для оцінки гранулометричного складу одержаних продуктів, вимірювання геометричних параметрів робочих органів подрібнювача, оцінки енергомісткості процесу.

За об'єкт дослідження вибраний процес подрібнення зернової сировини (шрот амаранту, шрот льону, зерно пшениці) кульками з обмеженими ступенями вільності.

Експериментальні дослідження процесу подрібнення кульками проводились на лабораторному кульковому подрібнювачі, який поєднаний з комплексом вимірювальної апаратури (рис. 1).

У розділі 3 „Математичне моделювання руху кульок у подрібнювачі” проведено теоретичні дослідження, які дозволило встановити взаємозв'язок між геометричними, силовими та кінематичними параметрами механічної системи кулькового подрібнювача. Це дало можливість оптимізувати геометричні параметри основних робочих органів машини - розмелювального і притискних кілець, математично описати рух подрібнюючих кульок, розрахувати силові навантаження на подрібнюваний продукт, визначити раціональні конструктивні параметри кулькового подрібнювача і забезпечити ефективне та якісне подрібнення зернових продуктів.

Раціональний кут нахилу розмелювального кільця розраховували за умови рівномірного поступального руху частинки продукту P по ньому під дією результуючої сили, яка діє на цю частинку у напрямку вивантаження з млина по твірній розмелювального кільця (рис. 2). Запорукою того, що подрібнювальна частинка буде рухатись вгору по поверхні конічного розмелювального кільця кулькового подрібнювача, є перевищення складової відцентрової сили F_цт над складовою сили тертя G_т, які діють у напрямку твірної розмелювального кільця (F_цт G_т). Рівновага частинки розмелювального продукту на поверхні кільця буде досягнута тоді, коли F_цт = G_т за умови корегування усієї рівності з урахуванням сили тертя частинки по поверхні кільця:

m²r sin₁ = mg cos₁ - f m(₀²r cos₁ +gsin₁)+ mgсos₁. (1)

Прийнявши коефіцієнт тертя зерна по сталі f = 0,3; швидкість його обертання розмелювального кільця = 5 с^-1; радіус обертання частинки r = 0,14 м в нижній частині розмелювального кільця, який регламентує утворення в ній застійної зони; прискорення земного тяжіння g = 9,81 м/с² з формули (1) отримуємо кут нахилу розмелювального кільця ₁ = 19 при якому частинка буде в рівновазі. Збільшення цього кута забезпечить підвищення швидкості переміщення частинки по твірній кільця, а його зменшення призведе до утворення застійних зон у зоні подрібнення, переподрібнення продукту і унеможливить вивантаження його з млина.

Процес подрібнення зернових продуктів найбільш ефективний і найменш енергоємкий, коли поєднується одночасне пластичне деформування оболонок зернових продуктів і крихке деформування їхніх ядер, в подрібнювачі необхідно створити такий рух кульок, щоб забезпечити у розмелювальних частинках деформації стиску з одночасним зсувом. Розв'язання такої задачі можливе на підґрунті визначення динамічних характеристик подрібнювача.

Механічна система (рис. 3), що складається з розмелювального кільця 1, ряду кульок 2 та двох притискних кілець 3, може ефективно працювати лише при певних кутах нахилу розмелювального ₁ і притискних ₂ кілець у деякому діапазоні кутових швидкостей обертання вала .

Для дослідження поведінки системи в динаміці (рис. 3) розглянуто її як дві прості підсистеми, утворені двома перерізами: перша (рис. 4) - площиною перерізу OYZ, друга - площиною перерізу XOY (рис. 5). В підсистемах діють сили: тяжіння , інерції і відповідні реакції на кульку збоку розмелювального кільця , притискного кільця , та сили з боку двох сусідніх і - 1 та і + 1 кульок та . Силу інерції розкладемо на дві складові - відцентрову та дотичну .

Критичним станом для працездатної розмелювальної механічної системи будемо вважати такий стан, коли обертовий рух кульок повністю зупинений (загальмований) і вони будуть ковзати по поверхнях прити-скного і розмелювального кілець. Критичний кут нахилу притискних кілець є межею працездатності системи і умовою того, що сили і моменти інерцій врівноважуються:

Размещено на http://www.allbest.ru

Розглядаючи врівноважену систему (3), знаходимо сили, які діють у сис-темі і забезпечують руй-нування продукту. За-вдяки тому, що кульки рухаються по складній траєкторії, забезпечують-ся осцилюючий рух по поверхні розмелювально-го кільця. В точці А (рис. 6), крім нормальної скла-дової реакції сили дії кульки N₁ на поверхню розмелювального кільця, виникає сила тертя, яку можна розкласти в пло-щині Ах₁х₂ на дві скла-дові , .

Розглянемо систему сил, які діють в точці В контакту кульки з притискним кільцем, де присутня нормальна реакція N₂ та сила тертя, що складається з двох складових F₁ та F₂ (рис. 6).

З огляду на те, що розміри кульок в порівнянні з розмірами розмелювального та притискного кілець на порядок менші то, згідно теореми Варіньона для сил інерції та тяжіння, приймаємо, що дані сили прикладені до центру кульки. Отже, в точці О маємо наступні складові сил: , , , N₁, N₂, N₃, N₄, та , , F₁ та F₂.

З врахуванням геометричних параметрів розмелювальної системи (рис. 4 - 5) можна записати:

N₃ = N₄ + , (3)

N₂ = , (4)

N₄ = -

- , (5)

= f N₂ -+ sinб, (6)

= [ - N₂(cosц₂ + fsinц₂) + N₁sinц₁ - m_ig] / cosц₁, (7)

N₁ = +

+. (8)

Розрахунки проводились для різних фіксованих значень кута нахилу робочої поверхні розмелювального кільця ц₁ = 9°; 12°; 17°; 19°. При цьому кут ц₂ змінювали у межах 2° ? ц₂ ? 20°. Решта параметрів були постійними: кутова швидкість обертання вала = 5 с^-1, прискорення і -ї кульки = 126,38 м/с² , d_к. = 0,031 м, діаметр притискного кільця D_пр = 0,26 м.

Дію кульки на розмелювальне кільце характеризує сила N₁. Необхідну її величину в залежності від межі міцності заданого зернового продукту, можна забезпечити зміною обертів привідного вала і варіюванням кута нахилу розмелювального та притискного кілець (ц₁, ц₂) (рис. 7, 8).

При аналізі кривих 1 - 4 (рис. 7) видно, що при збільшенні кута розмелювального кільця нормальна реакція дії кульки на його поверхню N₁ зменшується.

При його збільшенні кута нахилу притискного кільця до ц₂ = 11° відбувається зростання реакції сили N₁, а при зростанні ц₂ до значень, що перевищують 11° відбувається вирівнювання кривих сил N₁, що пов'язано з перерозподілом складових відцентрової сили. Настає критичний стан механічної системи, коли обертовий рух кульок повністю зупиняється (гальмується) і вони ковзають по поверхнях кілець. Причому сила, зорієнтована в напрямку дії кульки на розмелювальне кільце, створює деформацію стиску у подрібнювальній частинці. Сила ж тертя є руйнівною в напрямку дотичної до поверхні розмелювального кільця і спричиняє у частинці деформацію зсуву. З графіка видно (рис. 8), що зі збільшенням кута ц₁ ця сила збільшується. При ц₁ = 17 сила тертя набуває значень, співрозмірних з силою, яка необхідна для руйнування подрібнюваної частинки деформацією зсуву.

Аналіз одержаних результатів показує, що кут ц₂ повинен наближатись до критичного значення, але не перевищувати його. Підбір раціонального співвідношення стискаючих N₁ та зсуваючих зусиль забезпечує необхідні і достатні умови руйнування і залежить від міцносних характеристик подрібнюваної сировини. Наприклад, при подрібненні зерна пшениці кут нахилу притискного кільця ц₂ (рис. 7, 8) повинен бути в межах 5° - 11°, виходячи з умови необхідного співвідношення руйнівних сил.

Продуктивність кулькового подрібнювача визначається за формулою:

G = , кг/с; (9)

де D_роз - діаметр розмелювального кільця, м; d_k - діаметр кульки, м; n - частота обертання привідного вала, с^-1; ₂ - кут нахилу притискного кільця, град; - густина матеріалу, кг/м³; = 0,4...0,6 - коефіцієнт розпушення.

У розділі 4 „Дослідження процесу подрібнення зернових продуктів в кульковому подрібнювачі” наведені результати експериментальних досліджень по визначенню і підтвердженню раціональних конструктивних параметрів подрібнювача (кутів нахилу розмелювального і притискного кілець, кількості рядів кульок) та впливу їх на фракційний склад кінцевого продукту. В розділі наведені дані про ефективність процесу подрібнення на кульковому млині.

Знаходження раціонального кута нахилу розмелювального кільця стало можливим завдяки спостереженню за процесом переміщення подрібнюваного продукту по його поверхні та знаходження такого її нахилу, який би забезпечував постійне переміщення помелу та відсутність утворення застійних зон. Збільшення кута нахилу розмелювального кільця ₁ від 10 до 17 забезпечило рівномірний рух продукту до вивантаження і при цьому майже зовсім зникала застійна зона, яка спричиняла переподрібнення сировини (рис. 9). Цей кут можна вважати оптимальним і таким, що забезпечує стабільне переміщення розмелювального продукту до вивантаження.

Результати експериментів показали, що найбільше впливають на ступінь подрібнення сировини частота обертів привідного вала та кут нахилу притиск-них кілець. Раціональні оберти привідного вала визначали з умови створення необхідного тиску на частинку подрібнюваної сировини для отримання кінцевого продукту із заданим гранулометричним складом при найбільшому вилученні кінцевого продукту. Експерименти проводили при поетапній зміні обертів і визначенні гранулометричного складу отриманого кінцевого продукту.

Встановлено (табл. 1), що найбільш оптимальний режим подрібнення при отриманні борошна із зерна пшениці досягається при частоті обертання привідного вала 600 хв^-1, оскільки забезпечується найбільша ступінь подрібнення за рахунок переважної кількості кінцевого продукту (9,4 %) з розміром гранул менше 132 мкм.

Аналіз фракційного складу борошна із шроту льону та амаранту показав, що для їх подрібнення ефективною є частота обертання привідного вала подрібнювача близька до n = 700 хв^-1. Експериментально знайдено значення раціонального кута нахилу притискного кільця. Він повинен бути таким, щоб забезпечити максимальну силу тертя кульок по поверхні розмелювального кільця. Дослідження цього кута проводили при поетапній його зміні за допомогою механізму регулювання 1 і шпильок 2 відносно кришки 3 (рис. 10).

Таблиця 1

Фракційний склад розмелених зернових продуктів при різних обертах привідного вала

Частота обертів вала, хв.-1	Залишок на ситі №25 (294мкм), %	Залишок на ситі №35 (294...219мкм), %	Залишок на ситі №49/52 (219...132мкм), %	Прохід через сито №49/52 (132мкм), %
	Зерно пшениці	Шрот амаранту	Шрот льону	Зерно пшениці	Шрот амаранту	Шрот льону	Зерно пшениці	Шрот амаранту	Шрот льону	Зерно пшениці	Шрот амаранту	Шрот льону
400	85,3			3,5			3,2			8
500	75,7	91,2	94,2	5,3	2,8	1,7	4,9	2,2	1,8	9,1	3,8	2,3
600	74,6	84,2	88,1	8,9	4,8	3,8	7,1	4	3	9,4	7	5,1
700	73,8	81,7	86,5	13	5,4	4,4	9,8	4,8	3,1	3,4	8,1	6,8
800	74,2	80,4	84,4	13,8	5,6	5,0	12	5,8	3,8		7,8	6,1

При збільшенні кута до ₂ = 11 з'являвся характерний шум з вібрацією, що обумовлено зчепленням кульок з розмелювальним і притискним кільцями, і утворювались рівчаки ковзання та втомлювальні виразки на поверхні притискного кільця (рис. 11). Цей кут нахилу притискних кілець названо нами „критичним” і механізм регулювання притискних кілець повинен обмежувати його збільшення.

Досліджено також діапазон раціональних кутів нахилу притискних кілець, у якому досягається необхідна ступінь подрібнення, а продуктивність млина буде максимальною (табл. 2).

Таблиця 2

Залежність вилучення продукту та продуктивності млина від кута нахилу притискного кільця

№ п/п	Різниця у висоті регулювальних шпильок й, мм	Кут нахилу притискного кільця, 2	Зерно пшениці	Шрот амаранту	Шрот льону
			Залишок на ситі №25 (294мкм), %	Продуктивність, кг/год	Залишок на ситі №25 (294мкм), %	Продукти-вність, кг/год	Залишок на ситі №25 (294мкм), %	Продукти-вність, кг/год.
1	0	0
2	5	1,9	75,2	34,0	77,3	42,0	78,1	48,0
3	10	4,2	74,8	52,0	75,4	64,0	75,1	53,0
4	13	4,9	73,1	80,0	70,8	88,0	72,3	81,0
5	14	5,4	67,0	87,5	60,2	95,0	63,2	89,0
6	15	5,7	58,4	90,5	64,6	118,0	65,3	124,0
7	17	6,5	60,6	101,8

Раціональним кутом нахилу притискного кільця при отриманні борошна з зерна пшениці можна вважати кут ₂ = 5,7, що відповідає залишку 58,4 % на ситі № 25. Для шротів льону і амаранту раціональне значення оптимального кута зменшується до ₂ = 5,4, що відповідає залишку на ситі № 25, відповідно 60,2 % і 63,2 %. Така відмінність пояснюється різними структурно-механічними властивостями подрібнюваних зернових продуктів та різними обертами привідного вала подрібнювача. Отже, кут нахилу притискних кілець необхідно встановлювати в залежності від типу розмелювальної сировини і її міцносних характеристик.

Крім того, на ефективність процесу подрібнення суттєвий вплив має кількість рядів розмелювальних кульок, які забезпечують належну ширину загальної розмелювальної доріжки та багатократність деформування частинок і їх втомного руйнування.

Встановлено (табл. 3), що при подрібненні пшениці з використанням розмелювального пакету із п'яти рядів кульок продукт має найменший дисперсний склад, оскільки відсотковий вміст прохідної фракції сита №49/52 наближається до 39,2 %.

Таблиця 3

Фракційний склад помелу, отриманого при різній ємності кулькового розмелювального пакету млина

Кількість рядів кульок	Залишок на ситі №25 (294мкм), %	Залишок на ситі №35 (294...219мкм), %	Залишок на ситі №49/52 (219...142мкм), %	Прохід сита №49/52 (132мкм), %
	Борошно	Шрот амаранту	Шрот льону	Борошно	Шрот амаранту	Шрот льону	Борошно	Шрот амаранту	Шрот льону	Борошно	Шрот амаранту	Шрот льону
3	62,1	68,1	69,8	10,4	12,1	11,8	14,9	9,0	8,6	12,6	10,8	9,8
4	48,3	57,8	59,1	9,6	10,8	10,4	19,2	9,5	9,3	29,9	21,9	21,2
5	31,5	46,1	47,4	8,2	9,5	9,2	21,1	13,8	13,6	39,2	30,6	29,8
6	30,5	34,7	35,1	8,1	8,0	7,9	30,2	16,8	16,9	31,2	40,5	40,1
7		34,0	34,9		8,0	7,7		27,6	26,3		30,4	31,1

Подальше збільшення рядів кульок призводить до переподрібнення продукту, утворення конгломератів. Внаслідок цього вміст прохідної фракції через сито № 49/52 зменшується до 31,2 % через грудкування. При подрібненні шроту амаранту та льону пакет варто збільшувати до 6-ти рядів кульок.

Для встановлення раціональних конструктивних параметрів млина при подрібненні зерна пшениці було сплановано та здійснено повний факторний експеримент. За керівні фактори було обрано оберти привідного вала (X₁, об./хв.), кут нахилу притискних кілець ₂ (Х₂, який вимірювався через різницю у висоті регулювальних шпильок й, мм), кількість рядів притискних кілець (Х₃, шт.). Статистична обробка одержаних даних за комплексним методом Бокса-Уілсона дозволила отримати конструкцію кулькового подрібнювача з раціональними конструктивними параметрами: оберти привідного вала n_в = 610 об./хв.; кут нахилу притискних кілець ₂ = 5,41° та їх кількість N = 5 шт.

Конструктивні розміри притискного кільця визначаються з урахуванням діаметру кульок і розмірів розмелювального кільця.

Аналітичні та експериментальні дослідження стали підґрунтям для розробки технічної документації і виготовлення дослідного-промислового зразка подрібнювача (рис. 12), який успішно пройшов випробування і прийнятий для серійного виробництва.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. Конструкція промислового кулькового подрібнювача: 1 - циліндри-чний корпус; 2 - обертовий стіл; 3 - конічне розмелювальне кільце; 4 - подріб-нювальні кульки; 5 - притискні кільця; 6 - кришка; 7 - завантажувальний патруок; 8 - розвантажувальний патрубок; 9 - вал; 10 - гайка; 11 - стяжні болти; 12 - дистанційні втулки; 13 - регулювальні болти; 14 - контр-гайка ; 15 - завантажувальний бункер; 16 - дозатор.

За результатами проведених досліджень запропонована і випробувана технологічна схема отримання дрібнодисперсних зернових продуктів (рис. 13), яка включає операції очищення, попереднього подрібнення, двохступінчастого розсіювання та кінцевого подрібнення.

Размещено на http://www.allbest.ru

У розділі 5 „Економічна ефективність використання млина і впровадження результатів досліджень у виробництво” наведена кількісна та вартісна оцінка ефективності подрібнення на кульковому млині.

На підприємстві ПП „Плазма” був виготовлений дослідно-промисловий варіант кулькового подрібнювача, а у виробничих умовах на підприємстві ТОВ „Імона” проведені дослідження запропонованого способу подрібнення і технологічної схеми з його використанням.

Виробничі випробування підтвердили доцільність створення та серійного виробництва такого подрібнювача.

У промислових випробуваннях подрібнювач був установлений в технологічній лінії ЛМ-05У. При подрібненні 1т шроту льону із застосуванням кулькового подрібнювача прибуток переробного підприємства збільшився на 13,1 грн., а річний економічний ефект від впровадження подрібнювача склав 12576,0 грн.

Реалізація запропонованого способу подрібнення забезпечить зменшення енерговитрат на 4,4 кВт год/т і збільшення вилучення кінцевого продукту на 1,9...2 % в порівнянні з технологічною лінію з пальцевим дезінтегратором.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу літературних джерел встановлено, що найбільш перспективним подрібненням зернових продуктів є такий, при якому спосіб подрібнення реалізується багатократними деформаціями стиску і зсуву. Існуючі конструкції подрібнювачів не забезпечують в повній мірі цих вимог.

2. Розроблена математична модель подрібнення за допомогою кульок, яка дозволяє прогнозувати, розраховувати та реалізовувати в конструкціях подрібнювачів необхідні навантаження на подрібнюваний продукт в залежності від його структурно-механічних властивостей. Раціональні навантаження покращують фракційний склад готового продукту і збільшують його вихід за рахунок зменшення кількості переподрібнених частинок.

3. Розроблено принципово новий кульковий подрібнювач, який дозволяє отримати дрібнодисперсні зернові продукти.

4. Визначено силові, енергетичні та техніко-експлуатаційні показники роботи подрібнювача, що знаходяться у взаємозалежності з структурно-механічними характеристиками подрібнювальної сировини.

5. Спосіб подрібнення та конструкція млина захищені патентами України (№ 65015 А та № 58321 А).

6. Запропонована і підтверджено експериментально методика розрахунку продуктивності кулькового подрібнювача.

7. Досліджено вплив основних конструктивних параметрів нового подрібнювача на технологічні, енергетичні та техніко-економічні показники процесу подрібнення. Встановлено, що при подрібненні олійних культур наприклад, шроту льону у кульковому подрібнювачі збільшується вилучення готового продукту на 2 % і зменшуються питомі витрати електроенергії на 8,9%.

8. Розроблено і виготовлено дослідно-промисловий кульковий подрібнювач і апробовано в технологічній схемі виробництва якісних дрібнодисперсних зернових продуктів.

9. Економічна ефективність впровадження нового млина за рахунок збільшення вилучення продукту з сировини та зниження енергоємності процесу подрібнення при подрібненні 1т зернового продукту наближається до 13,1 грн. Річна економічна ефективність складає 12576,0 грн.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сухенко Ю.Г., Бойко Ю.І. Кульковий млин для подрібнення відходів олійно-жирової сировини // Хранение и переработка зерна. - 2005. - №12 - С.55- 56.

Особистий внесок здобувача: розробка конструкції, виготовлення дослідного зразка, підготовка матеріалів до публікації.

2. Бойко Ю.І., Сухенко Ю.Г. Оцінка ефективності процесу подрібнення в кульковому подрібнювачі // Хранение и переработка зерна. - 2006. - №3 - С.40 - 41.

Особистий внесок здобувача: експериментальні дослідження, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до опублікування.

3. Сухенко Ю., Бойко Ю. Математичне обґрунтування кута нахилу робочої поверхні кулькового подрібнювача // Хлібопекарська і кондитерська промисловість України. - 2006. - №5 - С.15 - 16.

Особистий внесок здобувача: теоретичні дослідження, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до опублікування.

4. Пат. 65015 А України, МПК⁷ B02C15/12, B02C17/08. Спосіб тонкого подрібнення матеріалів і пристрій для його здійснення / Ю.Г. Сухенко, Ю.І. Бойко, В.І. Білий - № 2003043796; Заявл. 24.04.2003; Опубл. 15.03.2004, Бюл. №3.

Особистий внесок здобувача: участь у висуненні обговоренні ідеї, проведенні експериментальних досліджень, підготовка матеріалів до подання.

5. Пат. 58321 А України, МПК⁷ B02C15/08. Кульковий млин / Ю.І. Бойко, Ю.Г. Сухенко, В.І. Білий - № 2002119395; Заявл. 26.11.2002; Опубл. 15.07.2003 Бюл. №7.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, експериментальних дослідженнях, підготовка матеріалів до опублікування.

6. Бойко Ю.І., Некоз О.І. Розроблення міні-млина на основі спрощеного способу подрібнення зерна // Програма і матеріали 67-ї наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. - К.: УДУХТ.2001. - Ч. ІІ. - С. 109.

Особистий внесок здобувача: аналіз літературних джерел, участь в теоретичних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

7. Бойко Ю.І., Сухенко Ю.Г., Білий В.І. Визначення критичного кута нахилу конуса для кульково-конусного подрібнювача зерна // Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ. 2002. -Ч. ІІ. - С. 99.

Особистий внесок здобувача: безпосереднє дослідження розробка методики досліджень, аналізі та систематизації отриманих результатів, участь в підготовці до опублікування.

8. Бойко Ю.І., Сухенко Ю.Г., Білий В.І. Кульковий млин для подрібнення зерна // Програма і матеріали 69-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ 2003. - Ч. ІІ. - С. 111.

Особистий внесок здобувача: аналіз літературних джерел, підготовка матеріалів до публікації.

9. Бойко Ю.І., Сухенко Ю.Г., Білий В.І. Врахування фізико-механічних властивостей зерна при конструюванні млинів // Програма і матеріали 69-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ 2003. - Ч. ІІ. - С. 111.

Особистий внесок здобувача: аналіз літературних джерел, участь в теоретичних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

10. Бойко Ю.І., Сухенко Ю.Г., Білий В.І. Дослідження зміни кута нахилу притискних кілець на загальний вихід борошна в кульковому міні-млині // Програма і матеріали 70-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ 2004. - Ч. ІІ. - С. 99.

Особистий внесок здобувача: безпосередня участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, участь в підготовці до опублікування.

11. Дослідження етапу підготовки сировини в процесі одержання цукристих продуктів із пшениці / О.В. Оверченко, А.О. Шеремет, Ю.І. Бойко, А.І. Українець, В.А. Лагода / Програма і матеріали 70-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ 2004. - Ч. ІІ. - С. 11.

Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, підготовка матеріалів до опублікування.

АНОТАЦІЯ

Бойко Ю.І. Дослідження процесу подрібнення зернових продуктів і розроблення нової конструкції кулькового подрібнювача. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню подрібнення зернової сировини. Запропоновано новий спосіб подрібнення, конструкцію подрібнювача, в якому здрібнення відбувається за рахунок стискаючо-зсуваючих деформацій кульками при багаторазовому деформуванні.

Отримано дані про вплив конструктивно-кінематичних параметрів подрібнювача на гранулометричний склад кінцевого продукту. Запропоновано методику розрахунку сил, які діють з боку кульки на подрібнювану частинку. Обґрунтовано раціональні конструктивно-кінематичні параметри, методику визначення якості отриманого кінцевого продукту та продуктивності подрібнювача. Доведена ефективність використання нового способу подрібнення для здрібнення зернової сировини з різними структурно-механічними властивостями.

Виготовлений промислово-експериментальний зразок подрібнювача і проведені його випробовування дослідження у виробничих умовах. Подрібнювач прийнятий для серійного виробництва.

Ключові слова: кульковий подрібнювач, конструктивні параметри, гранулометричний склад, зернова сировина, енерговитрати.

АННОТАЦИЯ

Бойко Ю.И. Исследование процесса измельчения зерновых продуктов и разработка новой конструкции шарикового измельчителя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Национальный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию измельчения зернового сырья. Рассмотрены известные способы измельчения зерновых продуктов, приведены теоретические основы измельчения и факторы, которые влияют на эффективность процесса измельчения, а также характеристику и классификацию конструкций мукомольных машин. В диссертации обоснована целесообразность разработки нового способа измельчения зерновых продуктов и устройства для его осуществления. Рассмотрены условия сокращения энергозатрат на процесс измельчения и возможность получения продуктов заданной крупности.

Предложен способ измельчения, в котором измельчение происходит за счет деформации сжатия-сдвига шариками при многоразовом деформировании.

На основе экспериментальных исследований установлено, что предложенный способ измельчения шариками зерновых продуктов позволяет получить мелкофракционные продукты.

Разработана принципиально новая конструкция шарикового измельчителя, позволяющая получать мелкофракционные зерновые продукты.

Проведены исследования по определению влияния конструктивно кинематических параметров шарикового измельчителя на технологические, энергетические и технико-экономические показатели измельчения. Проведена оптимизация конструктивно-кинематических параметров шарикового измельчителя. Установлено влияние способа измельчения шариками при создании деформаций сжатия и сдвига на получение качественных дисперсных зерновых продуктов.

Рассмотрено взаимодействие сил в механической системе размольное кольцо, шарик, прижимное кольцо.

Доказана возможность регулирования силовых параметров та скорости деформирования размольного продукта.

Разработана математическая модель измельчения, которая позволяет прогнозировать, рассчитывать и реализовывать в конструкциях шариковых измельчителей необходимые нагрузки в зависимости от структурно-механических свойств зернового продукта. Рациональные нагрузки улучшают фракционный состав готового продукта за счет уменьшения количества переизмельченных частичек.

Доказана эффективность использования нового способа измельчения, который учитывает разные структурно-механические свойства зернового сырья.

Предложена методика расчета производительности шарикового измельчителя, которая подтверждена экспериментами, что свидетельствует об адекватности расчетов по предложенной формуле математической модели практическим результатам определения производительности устройства.

Разработанный опытно-промышленный шариковый измельчитель дает возможность уменьшить удельные энергозатраты, увеличить степень измельчения зерновых продуктов и улучшить фракционный состав муки .

Измельчитель апробирован в технологических схемах получения мелкофракционых зерновых продуктов, используемых для производства хлебобулочных изделий функционального назначения, и принят для серийного производства.

Экономическая эффективность внедрения новой мельницы в технологической линии ЛМ-05У при измельчении 1т зернового продукта составляет 13,1 грн. Годовая экономическая эффективность составляет 12576,0 грн. Производственные испытания показали, что реализация способа предложенного измельчения обеспечивает уменьшение энергозатрат на 4,4 кВт ч/т и увеличение выхода конечного продукта на 1,9...2 % в сравнении с технологической линией с пальцевым дезинтегратором.

Ключевые слова: шариковый измельчитель, конструктивные параметры, мелкофракционый состав, зерновое сырье, энергозатраты.

annotation

Boyko U.I. The research of grain products crushing process and the new ball grinder construction development. - Manuscript.

The dissertation for obtaining a Candidate of Technical Sciences degree in specialty 05.18.12 - Processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical manufactures. - National University of Food Technologies, Kyiv, 2006.

The dissertation is dedicated to the research of grain raw crushing. The new way of crushing and construction of grinder in which crushing occurs due to compress-shifting deformations by balls during reusable deforming have been proposed.

It has been installed the influence grinder constructive-kinematical parameters on the ready product granulometric content. The technique of forces that act from the ball direction to crushing particle calculation has been proposed. It has been substantiated the rational constructive-kinematical parameters as well as technique of ready product quality and productivity of grinder estimation. Efficiency of using of new way of crushing for grain raw with different structural-mechanical characteristics crushing has been proven.

The industrial-experimental model has been made and researches in industrial conditions have been carried out.

Keywords: ball grinder, constructive parameters, granulometric content, grain raw, power expences.

Размещено на Allbest.ru

...