автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Обоснование параметров малогабаритной молотковой дробилки

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ.ВиСШЙ школа И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ Р02СР

РОСТОВСКИЙ-НА-ДОНУ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАЫШ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗНЖЯВЕЖОГО ЫАШИНОС1РОШИЯ

На правах рукописи УДК 631.363.2:636.085.622(04)

САИД БАКИР ИЫАД

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИШЕйБАРИ'ШОЙ ЦОЛОТКОВОЙ ДР0ШЛШ1

Специальность 05.20.04 - Сельскохозяйственный н гидромелиоративные ыашни

Автор в ф драч

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1992

Работа выполнена на кафедре "СельскохозяИотвешше машины для кормопроизводства и животноводства" Роатовского-нл-Дону института сельскохозяйственного машйностроения (FVICXM)

Научный руководитель - доктор технических j/аук, ирофеосор

ХОЗЯЕВ И.А.

Официальные оппоненти - доктор технических наук, профессор

POtl Л.Л.

- кандидат технических наук, доцент Ш/МСКЛЯ H.H.

Ведущее предприятие - Ростовское-на-Дону специализированное

конструкторсубе бюро продовольспениогс машиностроения.

Защита состоится " Зо " аишЗ 1992 г. в 10оочасог на заседании специализированного Совета Д.063.27.02 при .Poctoi оком-на-Дону институте сельскохозяйственного машиностроения. Адрес: 344708 г.Роотов-на-Дону, ГСП-8, пл.ГагаринаД HICJ

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке ГИСХМа.

Отзыв в 2-х ^{3.-.,заверенный печатью, просим выслать в спе циапизированный Совот по указанному адресу.

Автореферат разослан "29 " ЛЛлхЛ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета д-р техн.наук,профессор

Ю.И.Ермольев

onil/ül ХАРЛКТЕИ1СТИКА РАБОТ!J

Актуальность тоип. Население Сирийской Народно» puciiyoj¡;ii'-ii (СНР) составляет 14 миллионов человек. Для удовлетворения соосчвеп-liux нучд в ливотноводческой продукции ежегодно требуется 13 ми. тонн молока и молочных продуктов, 4GÜ тис.тонн мяса и 5,5 млд. ним. Потребности в продукции животноводства СИР полностью удовлетворяй г собственными силами.

В сельском хозяйстве страны занято свышо 60S самостоятельного насоления, на ого долю приходится 25% валового национального продукта и до 70,i экспорта. Площадь пригодных для сельского хозяйства земель составляет 0,5 млн.га, из чих обрабатывается 6 млн. га.

В 1963 г. в СИР проводилась аграрная реформа, В соответствии о ней максимум частного землевладения сокращен до 20 га на полишшх землях и до 200 га на багарннх. В стране развивается кооперагишюо движение. Средний кооператив имеет 1000 га земли, 2000 голов ог.иц, 500 коров, 1000 коз.

В силу природно-климатических условий СНР, одно из оспошшх lian ращений' сельского хозяйства - животноводство. На фсчме или в кооперативе для обеспечения сбалансированного кормления животных необходимо измельчать .ежедневно, за 2-3 часа 500-1000 кг зерновых и концентрированных кормов. Сельское хозяйство СНР довольно слабо механизировано и измельчителей такого класса нет. Кроме того, электроэнергия в СНР стоит очень дорого.

Поэтому, ооэдание измельчителя зерновых.а концентрированных кормов о производительностью 250-300 кг/час, обладающего мацой энергоемкостью и габаритами, является актуальной задачей для CÍ1I'.

Подобная задача япляется актуальной, и для Российской Федерации в связи с приватизацией сельского хозяйства и созданном частных ферм,

Поль исследования - разработка и обоснование параметра/) молотковой дробилки роторного типа производительностью 250-300 кг/час с минимальной энергоемкостью и габаритами.

Объект исслоношиш:! - молотковая дробилка ¡»торного типа с шарнирными молотками,

Методика исследований. Теоретически исследовалось взаимолий--стпие молотка с зерном и слоем зерна, опредалялась работа, идущая па измельчение и ударный коэффициент полезного действия молотка. Но-

следования производились на основе принципов классической теоретической механики и теории вероятностен.

Экспериментальные исследования проводились для проверки полученных теоретических шделей и подтверждения расчетных параметров дробилки. Использовались методы планирования эксперимента, статистической обработки данных, тензометрирования,

Научнад новизна . Разработана модель ударного взаимодействия зерна, слоя зерна о молотком, позволяющая выбрать параметры молотка о минимальным ударным импульсом, передаваемым на ось подвеса. Разработано уравнение дня определения коэффициента ударного действия плотка. Разработаны регрессионные модели для расчета параметров молотковой дробилки с минимальной удельной энергоемкостью.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработана конструкция молотка дробилки с минимальным реактивным ударным импульсом;

- Определен», оптимальные параметры молотковой дробилки для небольших ферм производительностью 250-300 кг/час, обладающей низкой энергоемкостью;

- разработан комплект рабочей конструкторской документации шлотковой дробилки производительностью 250-300 кг/час;

- создан и капитан опытный образец дробилки.

Апробация. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Ростовского-на-Дону института сельскохозяйственного машиностроения в 1989-91 г.г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 2-х научных статьях и одной заявке на авторское изобретение..

Структура и об^ем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка использованных источников (50 наименований) и приложений. Изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 16 таблиц.

На защиту выносятся положения отмеченные рубриками "научная новизна","практическая ценность и реализация результатов работы".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

fio введении обоснована актуальность теглы и изложены положения, которые выносятся на защиту.

р первой'главе "состояние вопроса" проведен анализ энергетических показателей молотковых цробилок,вальцовых и жерновых мель-

ниц. Показано, что удельная энергоемкость молотковых дробилок самая маленькая из них. На этой основе молотковая дробилка была выбрала объектом исолодоеениИ.

Анализ конструкций рабочих органов дробилок показал, что молотки та о ют самые разнообразные формы и размер«, однако это никак не связывалось с энергетическими показателями дробилок. Все сельскохозяйственные, дробилки предназначались для работы в крупных хозяйствах, имели производительность 1-2 т/чао, электродвигатели мощностью 7-12 квт, большие габариты и вес. Дробилки, использующиеся в других областях промышленности, прежде всего в горнорудной, являются ещо болое мощными машинами.

Анализ теоретических работ, посвященных исследованию молотковых дробилок, показал, что изучались техно,югнческие процессы, исследовались различные конструкции, но основной процесс - удар полотка по зерну-и по слою зорна, исследовался недостаточно целенаправленно .

Исходя из проведенного анализа сформулирована цель настоящего исследования - выбор и обоснование параметров молотковой дробилки для небольших животноводческих ферм производительностью 250-300 кг/час с более низкой энергоемкостью по сравнению о существующими образцами.

Для достижения поставленной цели необходимо било решить следующие задачи:

- разработать модель ударного взаимодействия молотка п зерна;

- разработать уравнения для определения ударного коэффициента полезного действия молотка;

- разработать конструкцию молотка, сбалансированного на удар и обладающего'позызеншщ коэффициентом полезного действия;

- произнести сравнительный теоретический анализ молотков различной конструкции;

- экспериментально проверить полученные модели н выводы;

- определить рациональные параметры молотковой дробилки для глалих ферм.

Во рторой глава "Теоретические исследования" вначале рассматривается в общем виде плоский удар материального тела и- точки о-известной массой (рисЛ). В результате получено уравнение д..я определения работы АЦМ1( идущей на измельчение.

С*от взаимодействия материального тела и точки при плоском ударе

(1 - кг) и (Ьк)ию» (Х.51ЛЛ - У, )

-5---&— - (I)

л. Н,** , Х^^-У^^иагеС

(3)

где К - коэффициент, характеризующий физикомеханические свойст-1м материала тола;

М, - масса материального тела; Ш - масса материальной точки;

'(Л - проекция скорости центра тсс тела на ось X до уцара; Ух - проекция скорости центра масси точки на ось Хдо удара; Уу - проекция скорости центра масс тела на ось у до удара;

- проекция скорости центра массы точки на ось ^ до уцара;

- угловая скорость тела, относительно оси I до удара;

- коорцинаты места удара тела и точки;

- момент инерции тела относительно оси £ ;

- угол между нормалью П( п осью Сх .

Далее рассматривается более-узкая задача - удар материального тала, участвующего в переносном вращательном движении о угловой скоростью , по материальной точке (рис.2).

Схема взаимодействия молотка дробилки и зерна при ударе

Рис. 2

В точке А цилиндрический шарнир, контакт осуществляется в точке В, Точка С .- центр масс. Ах и А^ - ударные импульсы в шарнире А.

Важное значение имеет величина единичного ударного импульса Ах< , поскольку от нее зависит ударный момент сопротивления. Для ее определения, при условии, что скорость точки в' момент удара равна нули, получено уравнение

^-к_

Ах< =-^-Пг^Ю^, Н)

•'А

где - фактический центр удара молотка;

ч * И Р " Млс— расчетный центр удара молотка; ■Ц, проекция скорости точки контакта на нормаль к точке контакта;

Зд - момент инерции тела.

Еолп принять, что в идеальном случае Ад. = 0, то из уравнения

(4) можно определить фактическую координату центра удара молотка^

Если обозначить через плотность распределения ударов

зерен по проекции молотка на ось и , то суммарный ударный импульс

л в

Ь

А^ определится как

А

(5)

где у л - координата точки Д (рис.2).

При известной плотности распределения можно так подобрать У4рагч' что сУммаР11ЫЙ »«пули Ах будет равен нулю.

Для случая, когда ^(у) описывается линейной функцией,уравнение для расчета ^^ц выглядит таким образом:

КИм-ТЧ №>

Для случая, когда ^(у) описывается нормальным законом о^ плотностью распределения ^ уравнение для опре-

деления у ^р^ принимает ввд:

с)

где Яе - радиус вращения центра масс тела;

К- - радиус диска, на котором П0две1Пиваются молотки;

Цд - коордвдата точки Д;

- параметры уравнения распределения плотности вероятности для нормального закона.

Если же скорость зерна V не равна нулю, т.е. скорость слоя находится как Vе , то уравнение для определения А% примет ввд

Л*-- , (8)

где 1Г„ - скорость точки К (точка К - проекция точки контакта зерна и молотка на ось ^ ).

Разрушение ударом происходит том эЭД.ект1шнео, чем большая часть кинетической анергии тратится ни работу разрушения. Поэтому коэффициентом полезного действия молотка можно назвать величину

1 - Аше. - " * * т» т»

гдо Та - кинетичоскал энергия до удара;

(9)

Т*

Ьу - кинетическая энергия после удара; Ари^- работа, идущая па разрушение зерна о деку.

Дач ее рассматривается прямой центральный удар двух тел. Для этого случая получено у|ашсияа ддш определения ^ , которое имеет вид:

Д

(Ю)

гда К - коиМиционт восстановления упругих Свойств зерна; И - масс:* первого тела; ГП - маиса ото!>ого тела;

|| - ((оэ^^тиопт, определяющий взаимосвязи сяедостей соуда-раадрссд У^з, 0 * } «<

&ЦЯ 0-ТЛаН УДДра молотка по зерну, входящему в камеру, уравнение ДЛЯ ОЩШелещщ | принимает виц:

1 ——• <">

где Зй - момент инерции центра масо молотка;

Д - расстояние осл точки подвеса до центра масо молотка. Анализ уравнения (II) показывает, что если дня зерна К находится в пределах 0,3*0,4, то коэффициент восстановления упругих свойств материала молотка должен быть близок к единице. В этом случае ^ повысится.

I тем будет больше, чем больше соотношение моментов инерции молотка и зерна. Большая часть кинетнческоЦ энергии переходит в работу разрушения при достаточно малоП массе соударяющихся тел. Работа разрушения тем будет больше, чем большё скорость ударяющего теда-.

Исходя из этих выводов была создана конструкция молотка, показанная на рис.Э.

Конструшцт молотка с минимальным реактивным уларин:,! импульсом

Ряс. 3

Вынесение основной массы молотка вниз позволило, во-первых, увеличить его момент инерции безьувеличения габаритов, во-вторых, получить 0 ^радч' 'в-третьих, разделение ударной массы на малые части позволило .выполнить условие об увеличении ^ за счет лучшего использования кинетической энергии, в четвертых, специальная термообработка ударяющихся масс улучшила их упруговязкие свойства, что тоже увеличивает 1 и, наконец, в пятых, наличие угла ^ между осью подвески молотка и осью движения масс увеличивает абсолютную скорость маоо- шарика - V ' ;

Выведено и уравнение для определения V.

ю

ГДв СОв - угловая скорость молотка; - радиуо подвески молотка;

Да - возможный путь движения масс по оси;

2, - координата начального положения шарика;

£ - угол между векторами относительной и переносной скоростями шарика.

Далее по разработанным моделям был произведен сравнительный Численный анализ эффективности работы серийного прямоугольного молотка и молотка, показанного на рис.3. Результаты приведены в табл.1.

Таблица I

Результаты сравнительного анализа эффективности серийного и экспериментального молотков

ЗЗад молотка ' 1 ! Мх .«V

Серийный 0,0039 0,905 т^ о,44 тУм 1,о

Экспериментальный 0,151 1,058щ\£ 0,199 1,23У

- ударный импульс, передававши на ось подвосого молотка.

Из таблицы видно, что экспериментальный молоток эффективнее серийного по основным показателям.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований. Цель экспериментальных исследований заключалась в оценке разработанных моделей, проверке эффективности работы дробилки с новыми молотками и определении рациональных параметров дробилки с производительностью 250-300 кг/час.

В начале главы приводятся методы проведения экспериментов, оценки ошибок измерений и описание экспериментальной установки.

Переменными параметрами были: подача, скорость вращения рото-' ра, диаметр отверстий в решете. Выходными факторами являлись энергоемкость, модуль помола, производительность.

При проведении экспериментов по оценке моделей проводились однофакторные опиты, при опредаленри рациональных параметров дробилки - многофакторнне. Однофакторные проводились как строки из матрицы планирования многофакторных•

Оценка точности шделей проводилась по их основному показа-телга энергоемкости.

На рно.4 показан график зависимости энергоемкости дробилки от окорости вращения ротора. Из ного видно, что наилучаио показатели тот- экспериментальные молотки с подвихшаы иассаш. сбалансировании" ни удар . Их энергоемкость на 20.( ниже, чем у остальных, 1и этом жа рисунка нанесена теоретическая кривая зависимости 3 от Г1м . Она близка к зависимости ЭВ|(ЛН) для экспорамонтальнщ молотков. Разница «ааду расчетными и окспврш.щитальныш1 значоная-ии но превышает 10£.

Зависимость эниргаоглсости молотковой дробшпш от скорости вращония ротора

а.'Н*

5 к Ь

M a 0 mtt

z 195т/ч' Conit

А-У

-loo . 2000 SO 00 Ш 50M 60 to it 00 nK

— . —. .расчетная зависимость Рис. 4

Наряду о энортоемкоотр производилась и качоотаоштя оценка измельченного продукта. Опрвдоляпоя модуль помола Мп и процент ныли в измельченном материало (Г„ , Фрагмент из иолученних результатов привел ой о табл. 2.

Таблица 2

Сводные результаты качества измельчания эернй дробилкой с разными типами молотков ( dp «4мм, Q = 195 кг/чао)

И ,об/мин j

ik.

серийн. ¡модоток

ML.

' экспорт,i. I молоток

ж

серийн.

мрдо.т.

1480 2000 4306 6600 7,ICQ

2,41 2,20 I 29 1,03 0.t'7

2,43 2,23 1,30 1,04

J2

6,1 7 2 9 19 14,81

JtiufiSL

зкппорнм,

6,09 7 02 9,17 14,43 JL&xSiL

Как видно из приведонних данных, качостзйннно показатели дробилки о экспериментальными молотками но ухудшились при снижении энергоемкости на 20%.

Поиск рациональных параметров дробилки производился путем изменения (1р , Ии й подачи на пяти уровнях.

Зависимость производительности дробилки от скорости вращения ротора при разных диаметрах решот показана на рис.5. Из графиков видно, что с увеличением Пи и ¿р производительность растет. Максимум ее приблигастся к ООО кг/час. Габариты дробилки: диямотр ротора 220 мм, ширина камеры 100 мм. У сериПной дробилки 11М1-С01 О производительностью на ячмене 1000 кг/час габариты ртлнп: Ъ - 500 мм, I = 300 ил соответственно.

На рис.6 показано .изменение качественных показателем дробилки от скорости ротора. Зависимость Мп от Мм противоположна соотношению (1 • При увеличении Пм модуль помола снижается (чем больше диаметр отверстий релота, тем резче происходит уменьшение Мп ).

Зависимость производительности дробилки от числа оборотов ротора

Зависимость модуль помет дробилки от числа оборотов ротора

Рис. 6

Процент пылевидных частиц увеличивается по море уменьшения диаметра решета. С^шо большао количество ныли дает рошето о dp «= 1,18 мм. Это объясняются теп) обстоятельством, что при малом диаметре ренета происходит многократное воздействие молотка на аврио и усиливается его поретирание.

Вид зависимостей Qajf^l и Мпа^(п^опроделяют и характер изменения , показанных lia графиках рис .7. "Уноргоемкоста самая большая дри малых значениях dp и небольшой скорости вращения ротора, С ростом dp п пм энергоемкость довольно резко сшиаетсд,

Накопленные даннио позволили также произвести регрессионный анализ и построить уравнения для расчетов основных параметров дробилок этого класса. t

Производительность дробилки определяется таким образом;

Зависимость аноргоомкости дробилки от числа оборотов ротощ

э,

кЬтч т

а

7

6

5

Н 3

2 i

Ловя

|пмт

1

1000 ' 2000'3050 т 50(?0 т -Мп„^1т I -(1р= 1,18 мм; 2 г/и; 3 -с1р = 4 мм; 4 0 мм;

Рис. 7

5 -¿р = 6,82 мм

3 = -313,45 + 119,54 + 5,69 Ю-2 Пм + 1,12 Ю~24р П„-

- 10,02 - 2,66 Ю-6 Ц1м , (13)

Модуль помола:

Мп = 0,57 + 0,79 <{р - 3,50 Ю-4 Пм - 5,54 10"3е^Пи -

- 3,87 Ю"2с1р + 3,96 Ю"8 П1м , (14)

Мощяост?,;

V/

= 1,94 - 0,65 с1р + 4,71 Ю"4^ - 2,88 Ю"5с1рПм + + 6,79 Ю"2с1р + 3,24 Ю-8*}, , пя

(15)

Сравнение раочетных значений 0,НП и и* о экспоримоитапь-нымя данными показало, что погрешность гдя 0, равна II,7?., для Н„ - 12,55?, дал V - 16,6;?.

Рациональные параметры дробилки бши определены на основе уравнений'реграооип (13)-(15),

Для ^ = 300 кг/чао, с!р = 4 мм, Пн = 4300 об/мин, В = 2,9,квт ч/т _ и их значения поютны нунктирннми линиями па графиках рю.3-5.

ОБЩИЕ В1Ш01Щ

1. Наиболее подходящей машиной душ измельчения зерновых и концентрированных коршв на небольших животноводческих фермах СИР я Роосии двляетоя шлотковая дробилка, поокольку она обладает иашэньиой энергоемкостью но сравнению о вальцовыми и зерновыми иолывдаш при прочих равных показателях.

2. Аналитические лооледошния позволила разработать модель взаимодействия молотка и зерна, определить ударный коэффициент полезного действия молотка, произвести энергетическую оценку молотков различного типа, которая показала, что сущеотвувдие молотки но сбалансированы на удар.

3. Разработана конструкция молотка,, уравновешенного ка удар и увеличивающего скорость взаимодействия молотка и аориа.

4. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность созданных моделей, поокольку разница между расчетными и опытными значениями параметров не превышала 10-12^.

5. Предложенная конструкция молотка о подвитыми ¡/л о сами в нижней части к уравновешенного на удар дает ошшепио энергоемкости на 20$ по сравнении о серийными шлоисаш! при прочих равных показателях.

6. Определены рациональные параметры дробшеи, которые равны; производительность 0 - 300 кг/час; чполо оОоротов ротора П^ -- 4300 об/мин; диаметр отверстий решета (¿р - 4 мм, диамотр ротора 220 ш, ширина рабочей 'камеры 160 мм, энергоемкость процесса -

Э - 2,9 квт ч/т

Основные положения диссертации .¿публикованы в следующих работах

1. Обоснование кинематических и геометрических параметров молотковой, дробилки производительностью 250-300 кг/чао. -В кн. Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства.,¡Роотов-на-Дону, 1992г.

2. Исследование взаимодействия молотка и разрушаемого материала в роторной дробилке. В кн. Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного йроиэводотва. Ростов-на-Дону,1992 г.

3. Дробилка комбикормов. Заявленное 28.03.92 г. изобретение