автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы измельчителя зерна скалывающего типа

На правах рукописи

Абрамов Александр Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА СКАЛЫВАЮЩЕГО ТИПА.

Специальность 05.20.01 "Технологии и средства механизации сельского хозяйства"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г. Ростов-на-Дону 2006 г.

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования - "Донской государственный технический университет" (ДГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ХОЗЯЕВ Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЖАРОВ Виктор Павлович

кандидат технических наук, доцент КРАСНОСТУП Станислав Маркович

Ведущая организация: государственное учреждение "Ростовская государственная машиноиспытательная станция".

Защита состоится 2006 года в часов на заседании дис-

сертационного Совета Д 212.058.05 при Донском государственном техническом университете (ДГТУ) в зале заседаний диссертационного Совета.

Ваши отзывы в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью Вашего учреждения, просим направлять по адресу: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2006 года.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор: / А.Д.Чистяков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В настоящее время около 70% всех энергетических затрат зерноперерабатывающей промышленности приходится именно на процесс измельчения зерна, а это в свою очередь составляет приблизительно 50% экономических затрат на его переработку. Снижение удельной энергоёмкости данного процесса на 3...5% приведёт к значительному снижению экономических затрат и как следствие не только себестоимости готового продукта, но и цены продукции связанных с ним отраслей — хлебопекарной, крупяной и комбикормовой.

Проведённый анализ литературы и работы машин, предназначенных для измельчения целого зерна (жерновых поставов, вальцевых станков, молотковых дробилок, бичевых машин), показал, что все они обладают значительной энергоёмкостью, что обусловлено применением в их принципе действия таких высокоэнергоёмких способов измельчения зерна, как сжатие и истирание. Использование удара . ограничено крупностью и качеством получаемого готового продукта, а скалывание, реализовано только в дисковых мельницах и дробилках, в данный момент не нашедших широкого применения на предприятиях современной зерноперерабатывающей промышленности.

Проведённый анализ литературы и работы почвообрабатывающих машин, а также различного оборудования, используемого в горнорудной промышленности показал, что в них широко используется принцип резания-скалывания, то есть разрушения клином.

Попытки перенести эту идею на процесс разрушения зерна без достаточного научного обоснования до сих пор не привели к созданию эффективных измельчителей зерна, основанных на данном способе разрушения.

В связи с этим вопросы исследования разрушения зерна скалыванием и создания на этой научной базе измельчителя зерна скалывающего типа являются актуальными, как и сама тема диссертации.

Цель исследования — выявление закономерности разрушения зерна как упруго-вязко—пластичного тела, с построением на этой основе теории измельчителя зерна скалывающего типа и определение его рациональных параметров.

Объект исследования — процесс разрушения зерна скалыванием.

Предмет исследования — закономерности процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа с определением энергетических и качественных показателей данного процесса.

Научная новизна исследования состоит в получении аналитических зависимостей для определения работы разрушения зерна как упруго-вязко-пластического тела и разработке уравнения, описывающего процесс разрушения зерна в динамико-резонансном режиме в измельчителе скалывающего типа.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена удовлетворительной сходимостью аналитических и экспериментальных зависимостей, лабораторными и натурными испытаниями разработанных опытных образцов измельчителя зерна скалывающего типа в Государственном учреждении Ростовской государственной машиноиспытательной станции.

Практическая значимость работы заключается в создании рабочей конструкторской документации и работоспособного образца измельчителя скалывающего типа и инженерной методики для расчёта его параметров.

Реализация результатов исследования. Разработанный измельчитель зерна скалывающего типа успешно применяется в исследовательских и научно-технологических линиях Государственного учреждения Ростовской государственной машиноиспытательной станции, в связи с чем, выдан акт о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях (ДГТУ, 1999 — 2003); научно—техническом семинаре: "Моделирование сельскохозяйственных растительных объектов" (РГАСХМ, 1999); международной научно—технической конференции: "Интеграция межотраслевой и межвузовской науки: проблемы современного машиностроения" (РГАСХМ, 2000); всероссийском научно-техническом семинаре: "Моделирование сельскохозяйственных растительных объектов" (РГАСХМ, 2001); научно—практическом семинаре "Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК" (НГМА, 2003); межрегиональной научно-практической конференции "Научные подходы к решению проблем производства продуктов питания" (МГТА, 2003).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в изданиях ФГОУ АЧГАА, ДГТУ, НГМА, МГТА, РГАСХМ, а также в журналах "Хлебопродукты" и "Комбикорма". Материалы исследований отражены в 10 печатных работах. Общий объём опубликованных работ составляет 25 страниц.

На защиту выносятся научная новизна и практическая значимость реферируемой диссертационной работы.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, глоссария, перечня принятых условных обозначений, перечня использованной литературы из 78 наименований и 1 приложения. Основное содержание диссертации изложено на 128 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка и 41 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе I "Состояние вопроса и постановка задачи" рассмотрены свойства зерна как сырья для производства муки, крупы и комбикормов, произведен анализ работы и принципа действия измельчающих машин, проведен обзор экспериментальных и теоретических исследований процессов измельчения зерна, сформулированы цель и задачи работы.

Для рациональной организации и оптимального ведения технологического процесса на предприятиях зерноперерабатывающей промышленности необходимо хорошо знать свойства используемого сырья и определяющие их факторы. Основным сырьём на мукомольных, крупяных и комбикормовых заводах является зерно, соответствующее всем требованиям ГОСТ 9353-90. Поэтому, прежде всего, рассмотрим все его основные особенности.

Зерно как биологический объект - чрезвычайно сложное образование. Каждая его часть, как и все зерно в целом несут определённую информацию о возможности получения заданного выхода и качества готовой продукции, технологических приёмах, необходимых для её получения, и, наконец, режимных параметрах, при которых необходимо вести технологический процесс.

Зёрна всех злаковых культур (рис.1) состоят из зародыша, эндосперма (запасных веществ) и оболочек (плодовой и семенной). Каждая анатомическая часть зерна состоит из многоклеточных тканей, содержащих различную влагу и выполняющих различные функции, а поэтому отличающихся друг от друга особенностями своего анатомического строения и микроструктуры, физико-химическими, структурно-механическими. биохимическими и биологическими свойствами.

1. Об. — оболочка.

а) Вол.х. — волоски хохолка;

б) П. - плодовая оболочка: П.В.э. — верхний эпидермис (верхняя кожица); П.С.с. — средний слой (гиподермис, мезокарпий); П.П.с. - поперечные клетки;

П.Вн.э. — внутренний эпидермис (внутренняя кожица).

в) С. — семенная оболочка: C.B. - верхний слой; СЛ. - гиалиновый слой.

2. Э. - эндосперм.

а) Э.А.С. — алейроновый слой;

б) Э.Кр.т. - крахмалоносное тело.

3. Зар. - зародыш.

а) Ст.п. - столбчатая паренхима;

б) П. — почка: Тр. — точка роста; Л,—лист; Щ. — щиток.

в) Кол. - колеоптиле: Эпбл. — эпибласт; Кор. — первичный корень.

Рис.1. Схема строения зерна пшеницы.

По современным научным представлениям при оценке зерна как сырья для переработки в муку, крупу и комбикорм необходимо основываться на следующих положениях:

1) зерно - это сложное составное тело, представляющее собой единое целое органическое соединение резко разнородных по своей структуре, физическим свойствам, химическому составу, абсолютной массе, биологическому назначению анатомических частей (зародыша, эндосперма, наружных и внутренних оболочек);

2) зерно — это резко выраженное анизотропное тело, отдельные части которого (зародыш, эндосперм, наружные и внутренние оболочки), имея различную структуру, физическую и химическую характеристики, обладают различными структурно-механическими свойствами;

3) зерно — это резко выраженное анизотропное тело, в котором существенное различие в структуре и химическом составе проявляется не только между его отдельными анатомическими частями, но и в пределах каждой из них;

4) зерно - это полимерное тело, анатомические части которого построены из биополимеров (белков, углеводов и липидов);

5) зерно — это биополимер, капиллярно-пористое коллоидное тело, которому присущи все свойства полимеров, а именно поглощение и отдача влаги, ограниченное набухание, разрушение его целостной начальной структуры трещинами, выделение теплоты, смачивание;

6) зерно - это живой организм, располагающий различными биологическими свойствами, управляющему воздействию которых, подчиняются все протекающие в нём процессы;

7) зерно — это упруго-вязко-пластичное, коллоидное, капиллярно—пористое тело, имеющее белковый каркас, крахмальный наполнитель и целлюлозную оболочку.

Измельчающие машины — это основное и наиболее энергоёмкое технологическое оборудование зерноперерабатывающих предприятий. Измельчающие машины применяют на мукомольных и крупяных заводах для размола зерна, а также на комбикормовых заводах для дробления зерна и продуктов его переработки.

В настоящее время существует большое количество измельчающих машин, разнообразных как по своему назначению, так и принципу воздействия рабочих органов на зерно. Проведённый анализ литературы и работы этих измельчающих машин (табл.1) показал, что их принцип действия основан на комбинировании следующих способов разрушения зерна: сжатие, истирание, сдвиг, удар, скалывание.

Таблица 1

Способы разрушения зерна, реализованные в измельчающих машинах

и их удельная энергоёмкость.

№ п/п Наименование измельчающих машин Способ измельчения зерна Удельная энергоёмкость, Вт'ч/кг

удар истирание сжатие сдвиг скалывание

общая средняя

1 Жерновые постава + + + 15,4-23,2 19,3

2 Дисковые мельницы + + 0,9-1,2 1,1

3 Вальцевые станки + + 2,2-14,7 8,5

4 Плющильные станки + 182,2 182,2

5 Молотковые дробилки + + 3,4-18,3 10,9

6 Зубчатые дробилки + + 3,75-10,0 6,9

7 Бичевые машины + + 0,5-2,0 1,3

8 Разрыхлители + + 4,4-14,7 9,6

9 Энтолейторы + 0,4-3,3 1,9

10 Деташеры + + 2,5-5,0 3,8

11 Вапьцедековые станки + + + 0,9-4,8 2,9

12 Вымольные машины + 2,3-6,1 4,2

13 Дисковые дробилки + + 3,7-12,3 8,0

Все приведенные выше измельчающие машины обладают значительной энергоёмкостью, что обусловлено применением в их принципе действия таких высокоэнергоёмких способов разрушения зерна, как сжатие и истирание. Использование

удара ограничено крупностью и качеством получаемого готового продукта, а скалывание реализовано только в дисковых мельницах и дробилках.

Проведенный анализ литературы и работы измельчающих машин, предназначенных для разрушения целого зерна, показал, что наименее энергоёмкими являются машины, принцип действия которых основан на скалывании, а именно дисковые мельницы, средняя удельная энергоёмкость которых составляет 1,1 Вт-ч/кг (рис.2).

Применение в зерноперерабатывающей промышленности измельчающих машин, принцип действия которых был бы основан на таком способе разрушения зерна как скалывание, возможно, позволило бы существенно снизить энергоёмкость данного процесса и повысить качество готового продукта в плане получения заданной крупности. Однако до сих пор этот способ разрушения зерна не был в достаточной мере исследован ни в теоретическом, ни в практическом направлении.

Рис.2. Удельная энергоёмкость измельчающих машин, предназначенных для разрушения целого зерна.

В связи с этим был проведен анализ существующих в настоящее время экспериментальных и теоретических исследований в области процессов разрушения зерна и его отдельных анатомических частей.

Проведенный анализ экспериментальных данных полученных разными авторами в разное время показал, что напряжения, необходимые для разрушения зерна и его отдельных анатомических частей лежат в очень широком диапазоне значений (табл.2).

Таблица 2

Диапазон напряжений, необходимых для разрушения зерна и его _отдельных анатомических частей, МПа_

Целое зерно | Эндосперм | Оболочка

Способ измельчения

4> 4> 4> Растяжение

Сорт пшеницы 1 к и и X 1 X во 3 и к Й X и 1 ¡5 и О. и X а и I Я О 3 § ы и попербк волокон X Л о с; 1с о о е* В о ш

влажность, %

14,5 14 17,5 б 10 18

Твёрдая 10,69 11,57 8,14 8,53 7,06 7,35 3,25 5,69 2,23 2,26 1,22 1,27 0,83 0,93 21,18 21,38 23,44 26,87 30,99

Мягкая стекловидная 7,26 8,24 6,57 7,1 4,51 4,9 4,51 1,67 0,75 1,0 0,75 0,78 16,97 21,18 23,24 25,45 25,5

Мягкая 6,08 5,39 3,73 1,37 1,27 0,56 0,29 13,24 19,05 22,46 23,73

мучнистая 6,2 5,5 3,8 1,67 0,61 0,39

Анализ экспериментальных исследований, проведённых в области разрушения зерна Чистовым, Тарутиным, Орловым, Врасским, Роем и Гиршсоном (табл.2) показал, что наименее энергоёмким способом его разрушения является скалывание, диапазон напряжений лежит в пределах от 3,73 до 7,35 МПа. Данный факт позволяет сделать предположение о перспективности его исследования с целью создания измельчителя зерна скалывающего типа

Анализ теоретических исследований, проведённых Риттингером, Кирпичёвым, Киком, Бондом, Рундквистом, Чарльзом, Ребиндером и Мельниковым показал, что существующие выражения для определения работы измельчения зерна не могут быть использованы при количественных расчётах, когда требуется найти её абсолютное значение, так как содержат большое количество неизвестных эмпирических коэффициентов и не рассматривают зерно как анизотропное тело.

В главе II "Теоретические исследования" приведены общие сведения о моделировании и построены теоретические модели процесса разрушения зерна скалыванием в условиях безударного и ударного нагружений.

В связи с тем что, зерно является упруго-вязко-пластичным, коллоидным, капиллярно-пористым телом, имеющим белковый каркас, крахмальный наполнитель и целлюлозную оболочку, то для описания процесса его разрушения скалыванием в условиях безударного нагружения может быть принята шестиэлементная реологическая модель, приведенная на (рис.3).

Идеальное тело Максвелла описывает эластичную оболочку зерна, содержащую связанную влагу

Параллельное соединение идеально-упругого тела Гука с

идеально-пластическим телом Сен-Венана описывает поведение мучнистого эндосперма, содержащего упруго-пластичный крахмальный наполнитель

Тело Кельвина описывает поведение упругого зародыша, содержащего молекулярную влагу

Рис.3. Предлагаемая реологическая модель зерна. Математическое описание поведения предложенной реологической модели зерна (рис.3) под воздействием приложенного усилия Р может быть представлено в виде дифференциального уравнения второго порядка:

+ = + (1 «к2 л 'л Л п2 '

где: у - деформация;

г) - коэффициент вязкости при сдвиге; ц - модуль сдвига; т — касательное напряжение. Для решения полученного дифференциального уравнения применим метод понижения порядка производной с помощью перехода. Для этого обозначим: 8

ёу

ёГ ё2

= 2(0,

(2)

__ =

Л2 ~ "

Тогда уравнение (1) можно записать в виде дифференциального уравнения первого порядка:

ц-х

_3 с!х , ' Л ' Л + л'

Решением этого дифференциального уравнения будет выражение вида:

с1г ц — + —•

(И ц

(3)

(4)

г = е

■Ы п & Т,2

(5)

Л"

Процесс скалывания зерна состоит из трёх последовательных фаз. Первая фаза заключается в сжатии зерна лезвием, под действием которого в нём возникает напряжение сжатия, характеризующееся величиной его деформации. Вторая фаза наступает, когда напряжение сжатия достигает некоторой предельной величины, обусловленной прочностью зерна, и проявляется в образовании в нём трещины. Третья фаза заключается в окончательном разрушении целостной структуры зерна.

Результаты проведённых рядом авторов практических исследований по разрушению зёрен различных злаковых культур показали, что процесс изменения величины касательных напряжений, возникающих" в зерне под действием приложенной нагрузки до момента его разрушения, может быть представлен в виде некоторой кривой (рис.4).

Ч

, р

Рис.4. Экспериментальная кривая разрушения зерна.

Зерно представляет собой агрегат отдельных тел неоднородного строения, из которых одни обладают меньшим пределом текучести, чем другие. При приложении к зерну некоторого усилия Б одни его части подвергаются только упругим деформациям, а другие начинают течь, постепенно освобождаясь от напряжения, которое начинает распределяться на более упругие части зерна, увеличивая их деформацию.

Такое изменение деформации во времени объясняется неоднородностью зерна и неравномерным распределением напряжений по его сечению.

Данная экспериментальная кривая может быть описана уравнением переходной функции апериодического звена второго порядка:

I

• Т т.

Т2-Т,

(6)

где: тт - предел текучести при сдвиге; Т] — период обратимой деформации; Т2 — период необратимой деформации. Продифференцировав уравнение (6), получим:

I »

ск (11 :

тт

Т2-Т,

(7)

Подставив уравнения (6) и (7) в уравнение (5) и произведя обратный переход согласно уравнениям (2,3), получим уравнение деформации, происходящей в предложенной реологической модели зерна:

28-(Т2-Т,)

з-Н.т,

т,2

И-Т, -л

- з-£.т,

Ц-Т2-Т1

(8)

Из полученного уравнения, очевидно, что характер зависимости между приложенным к зерну усилием Б и деформацией у в процессе разрушения зерна зависит не только от его структурно-механических свойств, реализуемых в реологической модели коэффициентами ц и ц, но также и от временного фактора (времени приложения усилия 0.

Абсолютная деформация, происходящая в зерне под действием приложенного усилия, может быть найдена по формуле:

ДЬ = у • Ъ, (9)

где: у - деформация;

Ь — толщина зерна.

Теоретически работа разрушения одного зерна в условиях безударного нагру-жения может быть найдена по формуле:

АI = Р-ДИ = Р-у-И,

или:

Б 23-(Т2 —Т,)

з-Н.т, п

Т,2

ц-Т.-т]

3 - — ■ Т,

Ц-Т2-Г|

(10)

.(11)

Для проверки работоспособности предложенной формулы произведём расчёт теоретической величины работы, затраченной на разрушение одного зерна скалыванием в условиях безударного нагружения.

Исходные данные: ц=2-107 Н/м2; т1=7-104 Н-с/м2; е=2,718; Б=40 Н; Ь=3-Ю-Зм; 53=Ы0"6м2; Т)=0,1 с; Т2=1 с; 1=7 с.

В результате расчёта по формуле (11) работа, затраченная на разрушения одного зерна скалыванием в условиях безударного нагружения, при заданных начальных условиях приблизительно составляет А б =34-10"3 Дж. 10

В качестве объекта, реализующего процесс разрушения зерна скалыванием в условиях ударного нагружения, был принят измельчитель зерна скалывающего типа, в котором зерно разрушается между вращающимся ротором и неподвижной декой с нанесённой на ней насечкой (рис.5).

Рис.5. Схема процесса разрушения зерна скалыванием в условиях ударного нагружения. Учитывая, что скорость вращения ротора достаточно велика, то продолжительность взаимодействия его зуба с зерном при разрушении последнего очень мала. В связи с тем, что за этот очень малый промежуток времени происходит конечное изменение скоростей контактирующих тел (зуба ротора и зерна), а их перемещение пренебрежимо мало, то это позволяет рассматривать данный процесс как ударный.

Из курса теоретической механики известно, что мерой ударного воздействия является мгновенный элементарный импульс ударной силы F:

dS = F • dt, (12)

где: F — ударная сила.

Уравнение импульса ударной силы F за время удара ty имеет вид:

S=jF-dty, (13)

о

и по теореме о среднем значении функции:

S=Fcp-ty, (14)

где: Fcp - среднее значение ударной силы за время удара ty.

При действии на зерно ударной силы F конечными силами, являющимися малыми того же порядка что и время удара ty, обычно пренебрегают.

Так как при исследовании ударных воздействий на зерно, в первом приближении, пренебрегают его демпфированием, а коэффициент приведённой жёсткости зерна считают постоянным c=const, то уравнение для определения ударной силы F(t) можно записать в виде:

m • у" + с • у = F(t), (15)

где: m — масса зерна;

с — коэффициент приведённой жёсткости зерна; у — перемещение зерна. Так как собственная частота колебаний зерна под действием импульса ударной силы определяется уравнением:

k£=-, (16) m

то уравнение (15) примет вид:

У" + кс -У = —• (17)

m

Если в момент времени t=to к зерну приложен мгновенный элементарный импульс силы dS, тогда после его воздействия система будет совершать свободные гармонические колебания, описываемые уравнением:

У = С] - sinke .(t-t0)+C2 -coske -(t-t0). (18)

Так как в момент времени t=to перемещение зерна у=0, то его скорость в соответствии с теоремой об изменении количества движения равна:

У' = -. (19)

ш

где: S — проекция импульса силы на ось OY.

£

При этих начальных условиях С, =-и С2=0. Следовательно, свободные

m-kc

колебания зерна после ударного воздействия, осуществляются по гармоническому закону, описываемому уравнением:

У = —~r—sinkc -(t —10). (20)

m-kc

Уравнение (20) можно представить в виде:

y = 8s(t,t0)-S, (21)

Ss(t.t0)=SÍnkc-(t~t0)- (22)

где:

с / ч sin

m-kc

Уравнение (22) называется импульсной реакцией системы и описывает движение, вызываемое единичным импульсом.

В соответствии с уравнением (20) ударная сила F(t) может быть найдена по формуле:

F(t) = c.y = c--sinkc-(t-t0). (23)

Максимальное значение ударной силы F(t)max в соответствии с уравнением (23) может быть найдено по формуле:

F(t)max =с—= kc -S. (24)

m-kc

Таким образом, максимальное значение ударной силы F(t)max пропорционально собственной частоте колебаний зерна ко

Данный факт позволяет выдвинуть гипотезу о том, что разрушение зерна скалыванием в условиях ударного нагружения происходит с наименьшими усилиями в случае, когда частота ударных импульсов ку соответствует собственной частоте колебаний зерна кс, то есть при резонансном режиме технологического процесса.

Для проверки достоверности выдвинутой гипотезы определим частоту ударных импульсов ку и собственную частоту колебаний зерна кс-

Частота ударных импульсов ку может быть найдена по формуле:

ку = гР-^- = 38- —= 4223 с"1, (25)

У Р ЯР 0,09

где: 2Р=38 — число зубьев ротора;

Ур=10 — скорость вращения ротора, м/с; ИР=0,09 — радиус ротора, м. Собственная частота колебаний зерна кс может быть найдена по формуле:

кс = (£ /_808_= 401! с-. (26) с Уш 00005 где: С=808 - приведённая жёсткость одного зерна, (Н/м); т=0,00005 - масса одного зерна, кг. Так как расхождение между полученными значениями частоты ударных импульсов ку и собственной частоты колебаний зерна кс составляет приблизительно 5%, то это даёт основание утверждать о правомерности предложенной гипотезы.

В главе III "Экспериментальные исследования" представлены результаты экспериментальных исследований процесса разрушения зерна, проведенных в условиях безударного и ударного нагружений, а также в измельчителе зерна скалывающего типа.

При проведении экспериментальных исследований по определению усилий разрушения зерна в условиях безударного нагружения для каждого типа рабочего органа было поставлено по 50 опытов (табл.3).

_Таблица 3

Способ разрушения сжатие сдвиг скалывание при угле заточки ножа р,°

121 91 57 48 31

Усилие Р, Н 90-100 60-70 65-75 50-55 45-50 40-45 35^0

Перемещение А1, м 0,0018 0,0013 0,0014 0,001 0,0009 0,0008 0,0007

Как видно из приведенных данных с наименьшими усилиями происходит процесс разрушения зерна скалыванием при угле заточки лезвия ножа Р=30°. Однако при угле заточки лезвия ножа р<50° усилие уменьшается незначительно, что иллюстрируется приведенным графиком (рис.6).

31 48 57 91 120 В.0

Рис.6. Зависимость усилия разрушения зерна Б от угла заточки лезвия ножа р в условиях безударного нагружения.

На рис.7 приведена типовая диаграмма опыта. Верхняя кривая характеризует усилие Б (Н), необходимое для разрушения зерна в условиях безударного нагруже-ния; нижняя - перемещение рабочего органа Д1 (мм).

Рис.7. Зависимость усилия разрушения зерна Б и перемещения рабочего органа Д1

от времени I.

Экспериментально работу (Дж), затрачиваемую на процесс разрушения зерна в условиях безударного нагружения, можно определить по формуле:

А|=Р-А1, (27)

где: Б - усилие, необходимое для разрушения зерна, Н;

Д1 — перемещение рабочего органа, м.

Теоретические А^ и экспериментальные А | значения работы (Дж), затрачиваемой на процесс разрушения зерна в условиях безударного нагружения приведены в табл.4.

Таблица 4

Способ разрушения сжатие сдвиг скалывание при угле заточки ножа

121 91 57 48 31

Теоретическая А^ 0,21 0,103 0,118 0,063 0,053 0,043 0,034

Экспериментальная А| 0,18 0,091 0,105 0,055 0,045 0,036 0,028

Полученные результаты подтверждают справедливость предложенной формулы (11), так как максимальное расхождение между теоретическими расчётами и результатами экспериментов составляет 14%.

Проведённые экспериментальные исследования процесса разрушения зерна в условиях ударного нагружения (табл.5) показали, что данный процесс происходит с наименьшими энергетическими затратами Р=0,9 Вт-ч/кг при частоте вращения ротора пр=1700 об/мин (при этом скорость вращения составляет "УР= 10,7 м/с) и угле заточки ножей ротора р=45°.

Таблица 5

п„, об/мин 300 650 1000 1350 1700 2000

У0, м/с 1,9 4,1 6,3 8,5 10,7 12,6

15 81,1 37,6 18,15 9,9 1,5 2,2 .

Удельная 30 67,4 35,6 17,3 9,2 1,3 2Д

энергоёмкость 45 48,1 27,7 16,5 8,4 0,9 1,7

Р, Вт-ч/кг 60 59,1 28,5 17,6 8,8 1,1 1,9

80 61,9 35,8 17,9 9,5 1,3 2,1

Для проведения экспериментальных исследований процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа, был разработан роторный измельчитель, общий вид которого представлен на рис.8.

1

Рис.8. Измельчитель зерна скалывающего типа (крышка снята). 1 — загрузочный бункер, 2 — регулировочная заслонка, 3 — противостоящая пластина; 4 — ротор, 5 — просеивающее сито, 6 — противорежущая дека, 7 - фиксирующая гайка, 8 — опорная стойка, 9 — основание, 10 — регулировочные болты, 11 — клиноремён-ная передача, 12 — электродвигатель, 13 - подставка для электродвигателя.

В табл.б представлены результаты проведённых экспериментальных исследований процесса разрушения зерна в измельчителе зерна скалывающего типа (значения удельной энергоёмкости процесса разрушения зерна Р и модуля помола зерна М3) в зависимости от скорости вращения ротора Ур, диаметра отверстий просевающего сита ёс, а также зазора между ротором и неподвижной декой 5з.

__Таблица 6

№ п/п Скорость ротора, Ур, м/с Диаметр отверстий сита с1с, м Зазор м/у ротором и декой 5з, м Мощность Nn, Вт Производительность С?, кг/ч Удельная энерго£мкость Р, Вт-ч/кг Модуль помола М3

1 9 0,001 0,0003 34,516 68 0,508 1,415

2 11 0,001 0,0003 43,356 78 0,556 1,425

3 9 0,003 0,0003 45,039 79 0,571 1,491

4 И 0,003 0,0003 50,091 85 0,589 1,496

5 9 0,001 0,0005 34,937 69 0,506 1,461

6 И 0,001 0,0005 38,305 73 0,525 1,469

7 9 0,003 0,0005 35,358 70 0,505 1,496

8 11 0,003 0,0005 43,356 78 0,556 1,498

Анализ полученных результатов, проведенных экспериментов, показал при скорости вращения ротора Ур=9. ..11 м/с, диаметре отверстий просеивающего сита с1с=1...3 мм и зазоре между ротором и декой 53,=0,3...0,5 мм значения удельной энергоёмкости процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа колеблются в пределах Р=0,505...0,589 Вт-ч/кг.

Проведённый гранулометрический анализ показал, что модуль помола зерна колеблется в пределах 1,4... 1,5 и соответствует крупной крупке.

Представленный фрагмент скоростной видеосъёмки процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа (рис.9) подтверждает наличие скалыва-

Рис.9. Фрагмент скоростной видеосъёмки процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа.

В главе IV "Оценка результатов эксперимента " построена математическая модель процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа, проведен анализ работы, затраченной на процесс разрушения зерна, выполнен сравнительный анализ измельчителя скалывающего типа с другими машинами, предназначенными для разрушения зерна.

Для построения математической модели процесса разрушения зерна с применением планирования эксперимента используем в качестве одного из его возможных вариантов реализации полный факторный эксперимент.

В нашем случае варьируемыми факторами будут: скорость вращения ротора Ур (м/с), диаметр отверстий просеивающего сита ёс (м), а также зазор между ротором и противорежущей декой 5з (м). В качестве функций отклика уц были приняты: мощность, затрачиваемая на процесс разрушения зерна N3 (Вт) и модуль помола зерна М3.

После расчёта коэффициентов уравнения регрессии примут вид:

— для мощности, затрачиваемой на процесс разрушения зерна:

=40,619 +3,157УР + 2,841с1с -2,63153 -1,473с1с8з +1,052УРс1с8з; (13)

— для модуля помола зерна:

М3 = 1,4689 + 0,010453 -0,012ШС +0,02653с1с. (14)

Анализ полученных уравнений регрессии позволяет сделать вывод о том, что на величину мощности, затрачиваемой на процесс разрушения зерна Ип, оказывают влияние три фактора: УР, <1с и 53( в то время как на величину модуля помола зерна М3 оказывают влияние два фактора: с!с и 63.

Работа, затраченная на разрушение одного зерна в измельчителе скалывающего типа, может быть найдена по формуле:

Ау = Р • ш3, (15)

где: Р — удельная энергоёмкость процесса разрушения зерна, Вт'ч/кг;

Шз - масса одного зерна (приблизительно 0,00005 кг).

Таким образом, величина работы Ау, затраченной на процесс разрушения одного зерна в измельчителе скалывающего типа (при условии ударного нагружения в резонансном режиме) будет находиться в пределах от 25,3-Ю-6 до 29,5-10 Дж.

Данный факт экспериментально подтверждает справедливость предложенной ранее гипотезы о том, что разрушение зерна скалыванием в условиях ударного нагружения происходит с наименьшими усилиями в резонансном режиме, когда частота ударных импульсов соответствует собственной частоте колебаний зерна.

Проведенный сравнительный анализ измельчителя зерна скалывающего типа с другими машинами, применяемыми для разрушения целого зерна, показал, что он обладает намного меньшей удельной энергоёмкостью =0,6 Вт-ч/кг.

В главе V "Экономическое обоснование технического решения" приведен бизнес-план организации и развития производства измельчителя зерна скалывающего типа, главной целью которого является определение экономического эффекта и получения прибыли от производства и реализации конкурентно-способной продукции.

Основными задачами бизнес-плана являются рассмотрение предлагаемой продукции с позиции маркетингового синтеза и обоснование решения для стратегического планирования деятельности предприятия.

Рекомендуемый к производству измельчитель прошёл стадию технического освоения. Опытные образцы успешно эксплуатировались в условиях малых фермерских и подсобных хозяйств Ростовской области и Краснодарского края.

Производственная себестоимость измельчителя составит: в первый год - 5550 рублей, во второй год - 5519 рублей, в третий год — 5500 рублей.

Норма рентабельности составит: в первый год - 25%, во второй год - 27%, в третий год - 30%.

Отпускная цена на измельчитель составит: в первый год — 8432 рубля, во второй год - 8518 рублей, в третий год - 8691 рубль.

Для организации серийного производства потребуются инвестиции в размере 1045000 рублей, финансируемые из внебюджетного фонда ДГТУ.

Источником погашения инвестиций является прибыль от реализации продукции. Погашение инвестиций начнётся через шесть месяцев после запуска производства, а полностью они будут погашены уже к началу третьего года.

Срок окупаемости данного проекта - 2 года.

Ежегодный объём чистой прибыли после выхода на планируемый объём продаж измельчителей составит 1455096 рублей в год.

Чистый дисконтный доход составляет 1510950 рублей.

Запас финансовой прочности составит: в первый год - 1281664 рубля, во второй год - 2095828 рублей, в третий год - 3285198 рублей.

Плановый срок действия проекта не менее трёх лет.

Экономический эффект от использования одного измельчителя зерна скалывающего типа составляет 1867 рублей в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований:

1) обосновано, что разрушение зерна в условиях безударного нагружения происходит при скалывании с минимальными напряжениями от 3,73 до 7,35 МПа;

2) предложена теоретическая формула для определения работы, затраченной на разрушение зерна скалыванием в условиях безударного нагружения, учитывающая его геометрические размеры (высоту, толщину) и структурно-механические свойства (модуль сдвига, коэффициент вязкости при сдвиге);

3) предложена теоретическая формула для определения параметров резонансного режима при разрушении зерна скалыванием в условиях ударного нагружения, учитывающая его физико-механические свойства (массу, жёсткость); \

4) произведенная экспериментальная проверка разработанных теоретических формул показала, что расхождение между расчётными значениями и результатами проведенных экспериментов составляет 14%;

5) установлено, что скалывание зерна в условиях безударного нагружения происходит с минимальными усилиями от 35 до 45 Н при угле заточки рабочего органа 45°;

6) установлено, что скалывание зерна в условиях ударного нагружения происходит с минимальными энергетическими затратами 0,9 Вт-ч/кг при скорости рабочего органа 10,7 м/с и угле заточки 45°;

7) разработан макетный образец и рабочая конструкторская документация для производства измельчителя зерна скалывающего типа;

8) установлено, что низкая удельная энергоёмкость измельчителя зерна скалывающего типа 0,5.. .0,6 Вт-ч/кг обусловлена использованием ударного нагружения в резонансном режиме при скорости рабочего органа 9... 11 м/с и угле заточки 45°;

9) предложены регрессионные математические модели для определения мощности, затрачиваемой на разрушение зерна в измельчителе скалывающего типа, а также его модуля помола в зависимости от скорости вращения ротора, диаметра отверстий просеивающего сита и зазора между ротором и противорежущей декой;

10) установлено, что модуль помола зерна не зависит от скорости вращения ротора;

11) определена величина работы, затрачиваемой на процесс разрушения одного зерна в измельчителе скалывающего типа, равная (25,3...29,5)-10-6 Дж.

12) установлено, что предлагаемый измельчитель зерна скалывающего типа обладает минимум на 50% меньшей удельной энергоёмкостью по сравнению с другими машинами, применяемыми для разрушения зерна;

13) составлен бизнес—план организации и развития производства измельчителя зерна скалывающего типа, при этом чистый дисконтированный доход от его реализации составит 1510950 рублей, а экономический эффект от использования составляет 1867 рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абрамов A.A. Моделирование разрушения зерна / A.A. Абрамов И Хлебопродукты. - 2006. - № 11. С. 46 - 47.

2. Абрамов A.A. Измельчитель зерна скалывающего типа / A.A. Абрамов И Хлебопродукты. - 2006.-№ 10. С. 56 - 57 .

3. Абрамов A.A. Измельчитель скалывающего типа / A.A. Абрамов // Комбикорма. -2006,-№6.-С. 42.

4. Абрамов A.A. Исследование энергоемкости процесса измельчения зерна резанием: научно-практический семинар "Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации работ в АПК" / A.A. Абрамов, И.А. Хозяев; НГМА. -Новочеркасск, 2003. — С. 65 - 66.

5. Абрамов A.A. Моделирование процессов разрушения зерновых материалов на основе простых напряженных состояний: межвуз. сб. науч. тр. / A.A. Абрамов, И.А. Хозяев; Механика дискретных сред. / АЧГАА / — Зерноград, — 2002. - С. 198 -203.

6. Абрамов A.A. Исследование энергоемкости разрушения зерна при простых напряженных состояниях с целью синтезирования оптимально энергоемкого рабочего органа / Абрамов А.А, Абрамов А.В; ДГТУ, - Ростов н/Д, 2001. - 5 с. - Деп. ВИНИТИ 17.10.2001, №2180-В.

7. Абрамов A.A. Моделирование процесса разрушения зерна на основе простых напряженных состояний: междунар. науч. — техн. конфер. "Интеграция межотраслевой и межвузовской науки: проблемы совершенствования машиностроения" / A.A. Абрамов, И.А. Хозяев; РГАСХМ. - Ростов н/Д, 2000, - С. 26.

8. Абрамов A.A. Исследование энергоемкости процесса резания зерна: межрегион, научн. - практ. конфер. "Научные подходы к решению проблем производства продуктов питания" / A.A. Абрамов; МГТА. - Ростов н/Д, 2003. - С. 190 - 191.

9. Абрамов A.A. Измельчитель зерна роторного типа: всерос. науч. - техн. семинар: "Моделирование сельскохозяйственных объектов" / А.А Абрамов, А.В Абрамов; РГАСХМ. - Ростов н/Д, 2001. - С. 35 - 37.

10. Абрамов A.A. Моделирование зерновок хлебных злаков при исследовании процесса их разрушения: междунар. науч. — техн. конфер. "Интеграция межотраслевой и межвузовской науки: проблемы совершенствования машиностроения" / A.A. Абрамов, И.А. Хозяев; РГАСХМ. - Ростов н/Д, 2000. - С. 26.

В набор 23, В печать //.

Объем^ <?усл;л.л.,^^уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №¿/2С. Тираж/^#

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.ГагаринаД.

Введение.

Глава I. Состояние вопроса и постановка задачи.

§1.1. Свойства зерна как сырья для производства муки, крупы и комбикормов.

§ 1.2. Анализ работы и принципа действия измельчающих машин.

§ 1.3. Анализ экспериментальных исследований процессов разрушения зерна.

§ 1.4. Анализ теоретических исследований процессов разрушения зерна.

§1.5. Цель и задачи работы.

Глава II. Теоретические исследования.

§2.1. Общие сведения о моделировании.

§ 2.2. Моделирование процесса разрушения зерна скалыванием в условиях безударного нагружения.

§ 2.3. Моделирование процесса разрушения зерна скалыванием в условиях ударного нагружения.

Глава III. Экспериментальные исследования.

§ 3.1. Экспериментальные исследования процесса разрушения зерна в условиях безударного нагружения.

§ 3.2. Экспериментальные исследования процесса разрушения зерна в условиях ударного нагружения.

§ 3.3. Экспериментальные исследования процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа.

Глава IV. Оценка результатов эксперимента.

§4.1. Построение математической модели процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа.

§ 4.2. Определение критерия оптимизации процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа.

§ 4.3. Анализ работы, затраченной на процесс разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа.

§ 4.4. Сравнительный анализ удельной энергоёмкости измельчителя скалывающего типа с другими измельчающими машинами.

Глава V. Экономическое обоснование технического решения.

§5.1. План производства.

§ 5.2. Потребность в инвестициях.

§5.3. Финансовый план.

§ 5.4. Финансовая стратегия.

§ 5.5. Оценка экономического эффекта.

Основной проблемой всех отраслей современной зерноперерабаты-вающей промышленности, включая мукомольное, крупяное и комбикормовое производство является их очень высокая энергоёмкость. В условиях конкурентной борьбы и в свете возможного вступления Российской Федерации во Всемирную Торговую Организацию (ВТО) снижение энергетических затрат является весьма актуальным вопросом.

Актуальность проблемы. В настоящее время около 70% всех энергетических затрат зерноперерабатывающей промышленности приходится именно на процесс измельчения зерна, а это в свою очередь составляет приблизительно 50% экономических затрат на его переработку.

Снижение удельной энергоёмкости данного процесса на 3.5% приведёт к значительному снижению экономических затрат и как следствие не только себестоимости готового продукта, но и цены продукции связанных с ним отраслей - хлебопекарной, крупяной и комбикормовой.

Всё современное оборудование, использующееся в настоящее время в зерноперерабатывающей промышленности, было разработано ещё до середины XIX века. Так, например, широко используемый в данный момент вальцовый станок изобрёл в 1812 году житель города Варшавы Марк Миллер. Несмотря на все те экспериментальные и теоретические исследования, которые проводились в области измельчения зерна, конструкция и принцип действия измельчающих машин, до сих пор не подверглись каким-либо кардинальным изменениям.

Проведённый анализ литературы и работы машин, предназначенных для измельчения целого зерна (жерновых поставов, вальцевых станков, молотковых дробилок, бичевых машин), показал, что все они обладают значительной энергоёмкостью, что обусловлено применением в их принципе действия таких высокоэнергоёмких способов измельчения зерна, как сжатие и истирание. Использование удара ограничено крупностью и качеством получаемого готового продукта, а скалывание, реализовано только в дисковых мельницах и дробилках, в данный момент не нашедших широкого применения на предприятиях современной зерноперерабатывающей промышленности.

Проведённый анализ литературы и работы почвообрабатывающих машин, а также различного оборудования, используемого в горнорудной промышленности, показал, что в них широко используется принцип резания-скалывания, то есть разрушения клином.

Попытки перенести эту идею на процесс разрушения зерна без достаточного научного обоснования до сих пор не привели к созданию эффективных измельчителей зерна, основанных на данном способе разрушения.

В связи с этим вопросы исследования разрушения зерна скалыванием и создания на этой научной базе измельчителя зерна скалывающего типа являются актуальными, как и сама тема диссертации.

Скалывание - это разрушение материала под действием касательных напряжений, при котором одна его часть смещается относительно другой по какой-либо плоскости (поверхности)

Измельчитель зерна - это машина, предназначенная для измельчения зерна или его отдельных анатомических частей с одновременным просеиванием получающихся при этом частиц (крупа), соответствующих всем требованиям технологического процесса, установленным на мукомольном, крупяном или комбикормовом производстве.

Измельчение зерна - это процесс разрушения целого зерна или его отдельных анатомических частей под действием сжимающих, сдвигающих, истирающих и скалывающих сил или удара с целью получения муки или крупы, заданного качества, отвечающего всем требованиям ГОСТ.

Существенное влияние на процесс измельчения зерна оказывают следующие факторы: свойства самого зерна, как сырья; эффективность его подготовки к измельчению; способ измельчения, реализованный в машине.

В конечном итоге эти факторы предопределяют все те энергетические затраты, которые будут присутствовать при измельчении зерна и, как следствие, определят не только себестоимость, но и конечную цену готового продукта.

Цель исследования - выявление закономерности разрушения зерна как упруго-вязко-пластичного тела, с построением на этой основе теории измельчителя зерна скалывающего типа и определение его рациональных параметров.

Объект исследования - процесс разрушения зерна скалыванием.

Предмет исследования - закономерности процесса разрушения зерна в измельчителе скалывающего типа с определением энергетических и качественных показателей данного процесса.

Научная новизна исследования состоит в получении аналитических зависимостей для определения работы разрушения зерна как упруго-вязко-пластического тела и разработке уравнения, описывающего процесс разрушения зерна в динамико-резонансном режиме в измельчителе скалывающего типа.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена удовлетворительной сходимостью аналитических и экспериментальных зависимостей, лабораторными и натурными испытаниями разработанных опытных образцов измельчителя зерна скалывающего типа в Государственном учреждении Ростовской государственной машиноиспытательной станции.

Практическая значимость работы заключается в создании рабочей конструкторской документации и работоспособного образца измельчителя скалывающего типа и инженерной методики для расчёта его параметров.

Реализация результатов исследования. Разработанный измельчитель зерна скалывающего типа успешно применяется в исследовательских и научно-технологических линиях Государственного учреждения Ростовской государственной машиноиспытательной станции, в связи, с чем выдан акт о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях (ДГТУ, 1999 - 2003); научно-техническом семинаре: "Моделирование сельскохозяйственных растительных объектов" (РГАСХМ, 1999); международной научно-технической конференции: "Интеграция межотраслевой и межвузовской науки: проблемы современного машиностроения" (РГАСХМ, 2000); всероссийском научно-техническом семинаре: "Моделирование сельскохозяйственных растительных объектов" (РГАСХМ, 2001); научно-практическом семинаре "Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК" (НГМА, 2003); межрегиональной научно-практической конференции "Научные подходы к решению проблем производства продуктов питания" (МГТА, 2003).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в изданиях ФГОУ АЧГАА, ДГТУ, НГМА, МГТА, РГАСХМ, а также в журналах "Хлебопродукты" и "Комбикорма". Материалы исследований отражены в 10 печатных работах. Общий объём опубликованных работ составляет 25 страниц.

На защиту выносятся научная новизна и практическая значимость представленной диссертационной работы.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит: из введения, 5 глав, заключения, глоссария, перечня принятых условных обозначений, перечня использованной литературы из 76 наименований и 1 приложения. Основное содержание диссертации изложено на 129 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка и 41 таблицу.

Диссертационная работа выполнена в Донском государственном техническом университете в соответствии с планом научно-исследовательской работы (НИР) университета.