автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологического процесса измельчения и параметров одновальцово-декового измельчителя зерна

005533526

На правах рукописи

КОНОВАЛОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ ОДНОВАЛЬЦОВО-ДЕКОВОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Б СЕН 2013

Улан-Удэ-2013

005533526

Работа выполнена на кафедре «Пищевая и аграрная инженерия» ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

доктор технических наук, профессор Урханов Николай Алагуевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Механизация сельскохозяйственных процессов» ФГБОУ «БГСХА им. В.Р.Филиппова» Сергеев Юрий Антонович

кандидат технических наук, директор ООО «Макароны Бурятии» Козлов Дмитрий Астафьевич

ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «_12_»_октября_ 2013 г. в «10» час, на заседании

диссертационного совета ДМ 212.039.06 при ФГБОУ ВПО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, аудитория 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан « 2013 г.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

-ч— Б.Д. Цыдендоржиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность работы. Изменившиеся экономические отношения в агропромышленном комплексе, связанные с переходом к новым условиям хозяйствования, привели к тому, что существующее технологическое оборудование, рассчитанное для крупных хозяйств и зерноперерабатывающих предприятий, имеет ограниченное применение в фермерских хозяйствах из-за значительной материало- и энергоемкости.

В связи с этим создание малогабаритного материало- и энергосберегающего измельчителя зерна имеет большое значение в сельскохозяйственном производстве.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР ВСГУТУ по г/б теме: «Исследование и разработка эффективных технологий и технических средств обработки и переработки зерна в зоне Восточной Сибири» (гос. регистр. №01.2007.10069), а также в рамках гранта «Молодые ученые ВСГУТУ - 2012» (код ГРНТИ 68.85.39).

Цель работы - обоснование технологического процесса измельчения зерна и параметров одновальцово-декового измельчителя.

Рабочая гипотеза - предположение о том, что снижение материало- и энергоемкости процесса измельчения зерна возможно за счет двухстадийного воздействия рабочего органа на материал.

Объект исследования - технологический процесс измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

Предмет исследований - закономерности процесса разрушения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

Методы исследования

В работе применялись аналитические, графоаналитические и экспериментальные методы исследования с целью обоснования технологического процесса измельчения зерна, предложенной математической модели и параметров одновальцово-декового измельчителя.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

2. Обоснованы параметры и режимы работы одновальцово-декового измельчителя зерна.

3. Определена зависимость гранулометрического состава измельченного материала от конструктивных и кинематических параметров рабочих органов и энергоемкость процесса измельчения.

Практическая ценность работы

1. Разработана и рекомендована методика конструктивных и технологических расчетов одновальцово-декового измельчителя зерна.

2. Обоснованы основные конструктивно-технологические параметры одновальцово-декового измельчителя зерна.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

2. Конструктивно-технологические параметры одновальцово-декового измельчителя.

3. Закономерность энергоемкости процесса измельчения от кинематических параметров рабочих органов.

Реализация результатов работы. Разработанный одновальцово-дековый измельчитель зерна прошел производственную проверку и внедрен в ООО «ПЛЕМЕННОЙ ЗАВОД БОРГОЙСКИЙ» Джидинского района и КФХ Бурцев Н.Я. Бичурского района Республики Бурятия.

Апробация работы.

Материалы исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ВСГУТУ (2010-2013), международной научно-практической конференции «Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы - 2012», г. Тамбов (2012), международной научной конференции «Проблемы механики современных машин» (2009), на IV региональном научно-производственном семинаре «Чтения И.П. Тереких», г. Иркутск (2011), научно-технической конференции БГСХА им. В.Р. Филиппова (2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц, 77 рисунков, список литературы из 173 наименований и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и дана краткая характеристика работы.

В первой главе дан анализ исследований, посвященных особенностям различных конструкций измельчителей зерна, а также выявлены проблемы, связанные с созданием энерго- и материалосберегающих машин. В главе приведена оценка влияния основных конструктивных и режимных параметров на качественные показатели продукта. Приведено обоснование выбора конструктивно-кинематической схемы одновальцово-декового измельчителя, сформулированы цель и задачи исследования.

Большой вклад в изучении процесса измельчения с целью его оптимизации и последующего усовершенствования конструкции измельчающих машин внесли работы А.Ф. Абдюкаевой, М.М. Айтбаева, H.A. Урханова, A.A. Петрова, В.Г. Короткова, C.B. Дьячкова, А.И. Артюнина, Б.В. Карташева, Н.В. Зайцевой, Н.Ф. Баранова, В.Р. Алешкина,

Б.Г. Зиганшина, О.П. Матушкина, Е.В. Синица, В.В. Ляпина, Н.С. Сергеева, В.И. Сыроватки, А.И. Пунько, И.Б. Шагдырова, М.Б. Балданова и др.

Все измельчающие машины можно классифицировать по способам механического воздействия на зерно с целью его разрушения, таким как удар, сжатие, сдвиг, резание, истирание и т.д. Наиболее широкое применение в практике кормоприготовления нашли удар и сжатие.

Выбор способа измельчения определяется рядом факторов, в числе которых - вид корма, физико-механические свойства измельчаемого зерна, требования технологии подготовки кормов, зоотехнические требования к корму для различных видов животных.

Практически все рабочие органы имеют существенный недостаток, выражающийся в неоднородности гранулометрического состава готового продукта. Если недоизмельченные частицы после просева можно вернуть на повторное измельчение, то с переизмельченными этого сделать нельзя. Они являются мерой несовершенства процесса, вызывают излишние энергозатраты, вредят животным.

Исходя из вышеизложенных исследований российских и зарубежных авторов, мы считаем, что наиболее эффективными по показателям однородности гранулометрического состава, удельной энергоемкости измельчения являются вальцевые измельчители.

Однако при длине вальца более 300 мм увеличиваются металлоемкость и размеры измельчителя, возникает необходимость установки дополнительных электродвигателей на привод пар вальцов, что усложняет конструкцию.

В результате анализа конструкций измельчающих машин, а также по материалам патентных и научных литературных источников выявлена необходимость совершенствования технологического процесса измельчения и конструктивно-технологических параметров для обеспечения уменьшения переизмельчения и энерго- и материалоемкости измельчителя.

С учетом вышеизложенного были обозначены задачи исследования:

1) разработать математическую модель процесса измельчения зерна при двухстадийном способе воздействия на материал;

2) обосновать технологические и конструктивно-режимные параметры одновальцово-декового измельчителя;

3) определить закономерность энергоемкости процесса измельчения от кинематических параметров рабочих органов;

4) дать технико-экономическую оценку новой конструкции измельчителя и его влияния на процесс измельчения.

Во второй главе приведены теоретические исследования процесса движения и измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе на основе уравнения энергетического баланса механической системы. При разработке теоретических предпосылок была выдвинута научная гипотеза, предполагающая, что изменение кинетической энергии одновальцово-декового измельчителя, рассматриваемого как изолированная механическая система, происходит за счет работы сил разрушения измельчаемого материала.

5

Разработка математической модели процесса измельчения зерна в одновалыдово-дековом измельчителе обеспечивает получение уравнения связи технологических критериев оценки качества измельченного продукта с конструктивными и кинематическими параметрами измельчителя.

При разработке математической модели процесса измельчения зерновых кормов в одновальцово-дековом измельчителе была составлена структурно-кинематическая схема измельчителя предложенной конструкции (рис. 1).

Рис. 1. Структурно-кинематическая схема одновальцово-декового измельчителя

Измельчающая часть измельчителя вальцедекового типа (см. рис. 1) состоит из вращающегося вальца 1, установленного на подшипниковых опорах 11, корпуса декового узла 5, декодержателя 2, расположенного на упругих опорах 7 в корпусе 5 и приводимого в возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости при помощи эксцентрикового вала 6 установленного также на подшипниковых опорах 12. На декодержателе установлены рифленые или шероховатые пластины 9 - деки и экран 10, выполняющий роль заглушки для предотвращения выбрасывания неизмельченного материала 3 из зоны измельчения в зазор между экраном питателя 13 и возвратно-поступательно движущимся декодержателем.

Питающая часть измельчителя состоит из бункера 4, гравитационного питателя 14, представляющего собой наклонную плоскость или желоб и заслонку 15, предназначенную для регулирования величины потока материала поступающего в питатель.

4

После составления структурно-кинематической схемы была разработана физическая модель технологического процесса разрушения зерна в одновальцово-дековом измельчителе (рис. 2).

Рис. 2. Основные переходные точки движения измельчаемого продукта

в измельчителе

Измельчение материала 3 происходит в зонах А и Б (см. рис. 1).

Для детального изучения измельчения материала на данном типе измельчителя необходимо разделить технологический процесс измельчения, начиная от поступления в бункер неизмельченного материала и заканчивая выходом готового измельченного продукта на стадии или участки с соответствующими переходными точками (см. рис. 2).

Движения материала начинается в точке 1, здесь нужно принять следующие допущения:

1) начальная скорость материала при выходе из бункера в желоб равна О, Уозерн = 0;

2) скорость всех частиц в потоке одинаковая;

3) движение частицы рассматривается как движение материальной точки или центра масс частицы, т.к. частица движется в потоке.

Точка 2 - Частица приобретает максимальную скорость У ¡¡ерн в конце желоба и захватывается вращающимся с окружной скоростью Уокр вальцом.

Также нужно принять следующее допущение: частица переходит с желоба на валец без ударного взаимодействия.

Точка 3 - Движение зерновки стабилизируется, суммарная скорость зерновки Ут становится равной окружной скорости вальца Уокр.

Точка 4 - Происходит захват зерновки в первую зону измельчения.

Точка 5 - Выход предъизмельченного продукта из первой зоны.

Точка 6 - Захват предъизмельченного материала второй зоной измельчения.

Тонка 7 - Выход продукта из второй зоны измельчения.

Согласно вышеуказанным точкам обозначены следующие зоны: 1-2 -зона разгона частиц; 2-3 - зона стабилизации скорости зерновки; 3-4 - зона захвата частиц; 4-5 - первая зона измельчения; 5-6 - зона свободного движения; 6-7 - вторая зона измельчения.

Как видно из рисунка 2, процесс разрушения зерна в одновальцово-дековом измельчителе может быть представлен как сумма последовательных процессов движения материала и его последующего разрушения от зоны 1-2 к зоне 6-7. Следовательно, для каждой зоны будет составлена отдельная динамическая и математическая модель.

После захвата частицы происходит ее разрушение посредством деформации сжатия, которая обеспечивается возвратно-поступательным перемещением деки и деформацией сдвига, обеспечиваемой, в свою очередь, вращением вальца.

' ^ I- Г71

йШ

¿2 } 2 і Рис. 3. Структурная схема передачи энергии

/2 — момент инерции эксцентрика, ш2 — угловая скорость эксцентрика,/! —

момент инерции вальца, а>1 — угловая скорость вальца, с — жесткость опорных пружин, х — перемещение деки, т — масса зерновки

Для расчета размеров зоны предварительного измельчения нельзя применять основное уравнение динамики твердого тела, так как происходит изменение размеров частицы в процессе разрушения. Поэтому для определения зоны предварительного измельчения нужно рассматривать всю механическую систему целиком, с позиции изменения энергии (рис. 3).

При расчете первой зоны измельчения вторая не рассматривается. На рисунке 3 представлены основные энергетические характеристики элементов механической системы при разрушении зерна.

Для определения зон измельчения применим теорему об изменении кинетической энергии механической системы, с учетом работы, затрачиваемой на образование новой поверхности и разрушение частицы Аразр:

Х1\ - ¿Л о = НА 1+ЕА{+ Аразр (1)

Полная кинетическая энергия в начальный момент времени, при котором дека находится в верхнем положении:

?Т0 Твсиьца0 ^экцентрика^ ^деки^ ^зерновки^

т =

* вальца0 2 '

где а>1 = const, так как вращающий момент не изменяется, }х - момент инерции вальца.

Т = — (3)

1 экцентрика^ ^ •> \-'J

где а)2 — const - угловая скорость эксцентрика, ]2 - момент инерции.

ТдекЫд 2 '

где тд - масса деки, V0 ) - скорость деки в верхней точке эксцентрика.

Так как возвратно-поступательное движение деки обеспечивается вращательным движением эксцентрика, то скорость является периодической функцией ОТ &)2 .

v0d = У = b)2 е cos(w2 t). (5)

После захвата частицы ее вращение прекращается, происходит послойное движение. Одна часть массы частицы совершает вращательное движение с поверхностью вальца, другая совершает плоское движение относительно деки.

^'зерновки0 ^ЯРо ^'плоско

ТвРо = <jy»í)/2, (7)

где /i - момент инерции полушара, относительно центра вращения вальца. 2

/I = + f + R) = f (о,375 d% + (,dcp + R)2) (8)

_ m(o,375 d?pHdcp+V2)cül eРа ~ 4 ^ '

При плоском движении абсолютная скорость полушара равна:

__Кг = Jk + V01P + 2V0 ¡ VOKpcos vC) , (10)

где V0¡> VOKp = д - угол между векторами скоростей V0 ) и VOKp. д = 90 - y + Р-

Тогда cos(90 -у + 13) = cos(90 - (у - /?)) = sin (у - /?)

^ = JVol + V¿p + (у - /?)) . (11)

Следовательно,

т __ ш(Уёд + Уо2кр+2У0дУокрзт(у-Р))

Величина кинетической энергии вальца эксцентрика и деки в конечный момент времени, при котором дека находится в нижнем положении, останется без изменений:

Твалы{а0 ^экцентрика^ ТзеРновки 0^)

Кинетическая энергия в конце сжатия частицы будет состоять только из вращательной составляющей, причем вращаться будет уже вся масса частицы:

TVl = ^ • (14)

9

Момент инерции сжатой частицы представим как момент инерции параллелепипеда, с высотой h = Аш1п и площадью основания dfp:

Jnapai = + ^lMin2) • (15)

Центр тяжести предварительно измельченного продукта примем посередине зазора AÍMin, тогда:

¡общ = ¡napa, = S (4 + Min) + m(R + ^fi)2 . (16)

Откуда:

Pt 2 Изменение кинетической энергии системы для первой зоны:

m{vl+volp+2v0dvmps\n (у-/?)))

(17)

АТ = ■

(18)

zst

..............'^к

FТРа \

i „ <■

я

b

Vtm

Ч,

~Х

Рис. 4. Расчетная схема сил при разрушении зерновки (а - первая зона измельчения, б - вторая зона измельчения)

Для того чтобы определить работу всех сил, действующих в системе, вначале нужно выяснить, какие силы действуют в данной системе и какими из них можно пренебречь. Система сил (рис. 4), действующих на зерновку в зоне измельчения, состоит, в частности, из силы тяжести С, сил трения в точках а и Ь - РТРа, РТРЬ, силы упругости пружины Рупр, реакций деки и вальца Иъ.

Трение поверхности эксцентрика о деку принимать во внимание не будем.

Однозначно сказать, какие силы действуют внутри зерновки при ее измельчении, не представляется возможным ввиду сложности анатомического строения и анизотропности.

Работа силы тяжести.

Ввиду малой массы зерновки и относительно небольшого перемещения силой тяжести можно пренебречь, так как по отношению к другим силам влияние ее незначительно. Следовательно, Ас = 0.

10

Работа силы упругости.

Сила упругости состоит из суммы сил предварительного натяга пружин и произведения коэффициента жесткости С на перемещение Y:

Fynp = Fynp0 + CY, (19)

где Y = e sin (ü>2 t)

Тогда работа силы упругости будет равна:

AF,„P = {Fynp0 + С е sin (ш2 о) е sin (со2 t). (20)

Работа сил трения.

Силы трения равны соответственно FTPb = fNb; FTPa = fNa , причем при разрушении возникают силы трения скольжения .

Реакция Nb определяется из равновесия проекций всех сил на ось OY: Nacos(i — Nb — Fynpcosy — FTPasin(3 = 0 —> Nb = NacosP - Fynpcosy - fNasin(3. (21)

Так как вращение всей частицы в целом отсутствует, то:

ЕМа = 0

FTPbcospA1MAX + Fynp sin (у - Р) ЛШАХ - NbsinP = 0 fNbcosPA1MAX + Fynp sin(y - P) Ú1MAX - NbsinPA1MAX = 0->

N Fy„p slnfr-g)

D fcosp-sinfi v

Приравняв (21) и (22), определим Na:

FynpS'nír-fí N _ .vnpcosY fc0sp-sinl¡

ÍVa cosp-fsinp • >

Тогда:

p _ /(F„„psin(r-/?)) Tpb fcosfi—sin/?

17 — ' ' icosp-smll /

Ьтра ~ cosp-fsinp >

Работа силы трения РТРа:

Ип __

'"'а _ СОВР-

где Ьа - длина дуги окружности

f(p cosY-FrnpS'mlv'm\ л _'Vy>PcosY fcos^mp ) .

AFTPa - cosp-fsinp La ' K¿D)

¿а = 2л7? — , (26)

а 360 4 '

где (р - угол поворота вальца. Работа силы трения Р/РЬ:

- ГС05Р-*1ПР ^ К2-П

где Ьь - перемещение частицы по поверхности деки

= (28)

Для определения работы разрушения частицы было применено уравнение П. А. Ребиндера, выраженное В. И. Акуновым в следующем виде:

А = К+ +К.¿Да' 2 Е

где К - энергия, расходуемая на деформацию и износ рабочих органов измельчителя; X - число циклов деформации частиц измельчаемого материала;

- затраты энергии на упругую деформацию измельчаемого материала; У() - первоначальный объем тела; КР - энергия на образование 1 см2 новой поверхности.

Подставив слагаемые в выражение (1), получим уравнение связи технологических критериев оценки качества измельченного продукта с конструктивными и кинематическими параметрами измельчителя для первой (30) и второй (31) зон измельчения:

7(1,5^К^+щг)^ т(у0\+Уо1Р+2У0лУтрвт (Т-р)) _

2 2 4

®"+(+с е 51п <>)е +

а

м2-

г ЛЛ _ / / е^т Л

V, 360/ /сох^-хт/? \ V соуу / ' / у

икр~* д окр' д

УокрМ2

-со!-

' окр

^Утр+У1+2УакрУд сортах

(Ь^Уохр+УЦ+гУокрУд ^тах\2^кр+У^+2УокрУд соз(тах

УокрМх

-Шл

"»Уд

2( 12)^УоКр+^-2УокрУд гОО^Лр+У^+гу^ со5(тах (¿^ + С в 81П (й)2 0] е 51П(Ш2 С) + ......36° .-- +

12 Е

Р2М2 р\М2

От £) Ч-СОЯ^") - / соя^

В третьей главе разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований основных конструктивно-режимных

параметров одновальцого-декового измельчителя и проведены эксперименты. Описано оборудование для проведения экспериментальных исследований.

Для подтверждения адекватности предложенной математической модели изготовлен действующий экспериментальный лабораторный измельчитель одновальцого-декового типа, а в качестве измерительной и регистрирующей части применялись стандартные цифровые электронные приборы (рис. 5).

Рис. 5. Общий вид экспериментального лабораторного измельчителя и оборудования:

1 - лабораторный вибрационный классификатор АСВ-300; 2 - набор стальных оцинкованных перфорированных сит с круглыми отверстиями ТУ 14-4-507 диаметрами й = 0,2; 1; 2; 3 мм; 3 - весы электронные ВЛ - 3134 ТУ 64-1 -3849-84; 4 - гиря тарировочная т = 50010,01 г; 5 - тахометр оптоэлектронный бесконтактный ОТ -2234 В; 6 - частотные преобразователи Р18100а I К5СЗ(Т) и Р18100а 2Я2СЗ(Т) мощностью 1,5 и 2,2 кВт; 7 - счетчик электрической энергии трехфазный, активно/реактивный, многофункциональный Меркурий 230; 8 - секундомер механический типа СОПпр; 9 - модуль рабочих органов; 10 - модуль электронного управления приводами; 11 - рама; 12 - модуль питающего устройства

Экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров одновальцово-декового измельчителя проводились по методу сканирования. Адекватность разработанной математической модели производилась при помощи Б-критерия Фишера.

В четвертой главе получены результаты аналитических и экспериментальных исследований показателей качества измельченного материала в зависимости от конструктивно-кинематических параметров одновальцово-декового измельчителя, с учетом удельной энергоемкости процесса (рис. 6-7).

л:=о,8 -

Рис. 6. Общий экспериментальный график изменения модуля помола М во второй зоне измельчения при А2=0,8-1,2 мм в зависимости от угловых скоростей щ, со2 рад/с

Средняя погрешность математической модели изменения модуля помола от конструктивно-режимных параметров работы измельчителя составила не более 3,4%.

Сравнительные графики теоретических и экспериментальных данных представлены на рисунке 7.

В результате экспериментальных исследований обоснованы основные параметры одновальцово-декового измельчителя зерна.

Оптимальные размеры технологических зазоров между вальцом и декой в первой и второй зоне измельчения равны: Л;=/ мм, Л2=0,8 мм - для модуля

помола М =0,3 - 0,8 мм; Л2=1 мм - для модуля помола М -0,8 - 2,3 мм, при амплитуде колебаний деки А =3 мм.

Рис. 7. Теоретический и экспериментальный графики изменения модуля помола от режимов работы измельчителя

В пятой главе приведен расчет экономической эффективности применения одновальцово-декового измельчителя зерна на предприятиях, производящих и реализующих продукцию животноводства в Республике Бурятия, исходя из данных сельскохозяйственной переписи в ценах 2013 г. Годовой экономический эффект составил 333400 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для описания процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе была разработана математическая модель, отражающая закономерность связи технологических критериев оценки качества

измельченного материала с конструктивно-режимными параметрами измельчителя (30, 31).

2. Оптимальные размеры технологических зазоров между вальцом и декой в первой и второй зоне измельчения равны: 4,= / мм, А2=0,8 мм - для модуля помола М =0,3 - 0,8 мм; Л2=1 мм - для модуля помола М =0,8 - 2,3 мм, при амплитуде колебаний деки А -3 мм.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что при увеличении частот вращения энергоемкость процесса измельчения увеличивается, так же как и производительность. Оптимальными, с точки зрения энергоемкости процесса измельчения и производительности измельчителя, являются величины угловых скоростей вальца и эксцентрикового вибровозбудителя со i=18,3 Рад/с, а>2=57,5 Рад/с.

4. Экономическая эффективность применения одновальцово-декового измельчителя зерна составила 333400 руб. за первый год эксплуатации.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Коновалов В.И. Оптимизация сепарации зерновой смеси в зависимости от влажности [Текст] / С.Н. Щуканов, Г.И. Хараев, A.A. Алексеев, Н.Ф. Васильев, В.И. Коновалов // Хранение и переработка сельхозсырья. - М. -2011. - №1. - С.32.

2. Коновалов В.И. Обоснование параметров вальцедекового измельчителя зерна [Текст] / В.И. Коновалов, H.A. Урханов // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ. - 2012. - №4(36). - С.64-67.

3. Коновалов В.И. О некоторых особенностях конструкции вальцедекового измельчителя фуражного зерна [Текст] / В.И. Коновалов, H.A. Урханов // Вестник БГСХА им. В.Р. Филиппова. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА. -2013.- №2(31). -С.49-53.

В других изданиях:

4. Коновалов В.И. К кинетике процесса дробления [Текст] / М.Б. Балданов, Э.Ц. Галсанова, В.И. Коновалов // Вестник БГСХА им.

B.Р. Филиппова. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2009. - №2. - С.107-109.

5. Коновалов В.И. К обоснованию параметров измельчителя зерна с подвижной декой [Текст] / H.A. Урханов, В.И. Коновалов // Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 5. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. - 2010. -

C. 9-12.

6. Коновалов В.И. Возможности совершенствования конструкции и повышения эффективности измельчения зерна [Текст] / H.A. Урханов, В.И. Коновалов, Ч.С. Данилов, М.Б. Балданов // Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 5. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. - 2010. - С. 12-18.

7. Коновалов В.И., Урханов H.A. Измельчение зерна в вальцово-дековом измельчителе [Текст] / В.И. Коновалов, H.A. Урханов // Серия: Технология и

средства механизации в АПК. Вып. 6. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. - 2011. - С. 98-103.

8. Коновалов В.И. Действующая модель двухвалкового измельчителя зерна с вибродекой [Текст] / В.И. Коновалов, H.A. Урханов, A.A. Абидуев, Ч.С. Данилов // Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 6. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. - 2011. - С. 108-111.

9. Коновалов В.И. Динамика измельчителя вальцедекового типа [Текст] / В.И. Коновалов, H.A. Урханов., Н.Ф. Васильев // Чтения И.П. Терских; Материалы IV регионального научно-производственного семинара (26-27 сентября 2011 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. - С.77-83.

Ю.Коновалов В.И. Обоснование параметров измельчителя зерна с подвижной декой [Текст] / В.И. Коновалов, Г.Г. Алхунсаев, H.A. Урханов // Обоснование параметров измельчителя зерна с подвижной декой // Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 7. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ. - 2012. - С. 12-16.

П.Коновалов В.И. Об усовершенствовании вальцевых измельчителей зерна [Текст] / В.И. Коновалов, Г.Г. Алхунсаев, H.A. Урханов // Общество, современная наука и образование: материалы международной научно-практической конференции (30 ноября 2012 г.). Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012 . - С. 74-76.

Подписано в печать 10.09.2013 г. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 268.

Издательство ВСГУТУ 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ ОДНОВАЛЬЦОВО-ДЕКОВОГО

ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА

04201362385

На правах рукописи

Коновалов Виктор Иванович

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук по специальности 05.20.01. - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Урханов Н. А.

Улан-Удэ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................6

1. Состояние технологий, технических средств и пути совершенствования рабочих органов вальцевых измельчителей зерна

1.1 Зоотехнические требования, предъявляемые к кормам, и критерии оценки крупности измельчения....................................................................9

1.2 Эффективность применения различных конструкций измельчителей кормов из зерновых культур по показателям........................................11

1.3 Классификация и анализ конструкций измельчителей зерна........................17

1.3.1. Измельчители ударно-истирающего типа.....................................18

1.3.2 Вальцевые измельчители зерна...................................................29

1.3.3 Схемы технологического процесса измельчения зерна.....................32

1.3.4 Вальцово-дековые измельчители зерна........................................33

1.4 Выводы по первой главе.............................................................36

2. Теоретическое исследование и обоснование процесса измельчения зерна в

I

одновальцово-дековом измельчителе

2.1 Выбор основных критериев оценки эффективности работы измельчителя одновальцово-декового типа............................................................37

2.2. Физическая модель процесса разрушения фуражного зерна в одновальцово-дековом измельчителе..................................................38

2.3. Теоретическое обоснование параметров одновальцово - декового измельчителя...............................................................................41

2.3.1. Определение размеров питателя................................................41

2.3.2. Определение зоны стабилизации скорости зерновки.......................46

2.3.3. Определение зоны захвата зерновки................................................52

2.3.4. Определение зоны предварительного измельчения с учётом энергетической составляющей..........................................................62

2.3.5 Определение зоны окончательного измельчения..................................80

2.4 Обоснование зависимости технологических критериев оценки качества материала, измельченного одновальцово-дековым измельчителем от конструктивно-кинематических параметров рабочих органов..................94

2.4.1 Теоретическое обоснование амплитуды колебаний деки.................105

2.5. Технологический расчёт измельчителя.........................................106

2.5.1. Определение производительности измельчителя..........................106

2.5.2 Определение мощности на приводе измельчителя.........................107

2.6 Выводы по второй главе............................................................109

3. Методика экспериментальных исследований конструктивных и кинематических параметров измельчения зерна

3.1 Задачи и программа проведения экспериментальных исследований..............................................................................110

3.2 Стандартные методики и материалы.............................................111

3.3 Стандартное лабораторное оборудование......................................111

3.4 Описание экспериментального лабораторного измельчителя..............113

3.5 Методика проведения экспериментальных исследований на лабораторном модульном измельчителе...............................................................116

3.6 Выбор плана эксперимента........................................................122

3.7 Анализ повторяемости результатов экспериментальных исследований первой зоны измельчения................................................'.............1.127

3.8 Определение удельных затрат энергии процесса измельчения............128

3.9 Исследование фракционного состава дерти при измельчении зерна в первой зоне и второй зонах............................................................129

3.10 Методика проверки адекватности математической модели изменения качественных показателей измельченного материала от конструктивно-режимных параметров работы измельчителя.......................................129

3.11 Выводы по главе....................................................................131

4. Анализ результатов экспериментов

4.1 Результаты экспериментальных данных исследования модуля помола,

времени измельчения, затраченной и полезной мощности при измельчении...............................................................................132

4.2 Анализ зависимости модуля помола в зоне предварительного измельчения от конструктивно - кинематических параметров одновальцово-

декового измельчителя..................................................................133

4.2.1 Определение оптимальной величины зазора Aj с точки зрения удельных энергозатрат и качества измельченного материала...............................136

4.3 Анализ зависимости модуля помола в зоне окончательного измельчения от конструктивно - кинематических параметров одновальцово-декового измельчителя..............................................................................138

4.4 Анализ гранулометрического состава материала измельченного в одновальцово-дековом измельчителе................................................141

4.5 Определение удельной нагрузки на единицу длины вальца........143

4.6 Оценка адекватности предлагаемой математической модели..............143

4.7 Выводы по главе.....................................................................145

5. Эффективность применения одновальцово-декового измельчителя фуражного зерна

5.1 Технико-экономические предпосылки для применения одновальцово-декового измельчителя фуражного зерна...........................................146

5.2 Расчёт и сравнение энергозатрат при измельчении зерна на измельчителях стандартных конструкций и измельчителя одновальцово-декового типа..............................................................................150

5.3 Расчет затрат на эксплуатацию стандартных измельчителей и измельчителя одновальцово-декового типа.........................................153

5.4 Сравнение общих затрат, при использовании одновальцово-декового и стандартных измельчителей............................................................154

5.5 Выводы по главе.....................................................................155

Общие выводы............................................................................156

Список использованных источников................................................157

Приложение 1..............................................................................175

Приложение 2 Приложение 3

Введение

Актуальность исследования.

Изменившиеся экономические отношения

в агропромышленном комплексе, связанные с переходом к новым условиям хозяйствования, привели к тому, что существующее технологическое оборудование, рассчитанное для крупных хозяйств и зерноперерабатывающих предприятий, имеет ограниченное применение в фермерских хозяйствах из-за значительной материало-энергоемкости [4].

Учитывая тот факт, что зерновые культуры являются основной составляющей рациона как крупнорогатого скота, так и овец, свиней и птицы [6, 159], принимая во внимание увеличение посевных площадей в республике Бурятия [140], опираясь на данные статистики по составу сельскохозяйственных предприятий республики [60], можно сделать следующий вывод: для развития собственного кормопроизводства необходимы новые технические средства, отвечающие самым последним стандартам в области кормопроизводства и предназначенные главным образом для крестьянских и фермерских хозяйств.

Анализ технологического оборудования для производства кормов [7,8,18,19,20,21,22,23,26] показал, что оборудование для : измельчения является достаточно сложным в эксплуатации во всей 'технологической линии производства корма, а сам процесс весьма энергоёмким [1,2,5,17,26].

Решением этой проблемы, казалось бы, могло быть применение комплектных зерноперерабатывающих установок малой мощности [43], но они имеют ограниченное применение в фермерских хозяйствах из-за значительной материало- и энергоемкости.

Обобщая все представленные выше факты можно сделать вывод о том, что для стабильного кормопроизводства в личном подсобном хозяйстве необходимо наличие малогабаритного измельчителя валкового типа достаточной производительности и при этом низкой энергоёмкости процесса измельчения.

В связи с этим создание малогабаритного материало- и энергосберегающего измельчителя зерна имеет актуальное значение в сельскохозяйственном производстве.

Цель работы - обоснование технологического процесса измельчения зерна и параметров одновальцово-декового измельчителя

Рабочая гипотеза - предположение о том, что снижение материало- и энергоемкости процесса измельчения зерна возможно за счет двухстадийного воздействия рабочего органа на материал.

Объект исследования - технологический процесс измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

Предмет исследований - закономерности процесса разрушения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

2. Обоснованы параметры и режимы работы одновальцово-декового измельчителя зерна.

3. Определена зависимость гранулометрического состава измельченного материала от конструктивных и кинематических параметров рабочих органов и энергоемкость процесса измельчения.

Практическая ценность работы

1. Разработана и рекомендована методика конструктивных и технологических расчетов одновальцово-декового измельчителя зерна.

2. Обоснованы основные конструктивно-технологические параметры одновальцово-декового измельчителя зерна.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе.

2. Конструктивно-технологические параметры одновальцово-декового измельчителя.

3. Закономерность энергоемкости процесса измельчения от кинематических параметров рабочих органов.

Реализация результатов работы

Разработанный одновальцово-дековый измельчитель зерна прошел производственную проверку и внедрен в ООО «ПЛЕМЕННОЙ ЗАВОД БОРГОЙСКИЙ» Джидинского района и КФХ Бурцев Н.Я. Бичурского района Республики Бурятия.

Апробация работы

Материалы исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ВСГУТУ (2010-2013), международной научно-практической конференции «Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы - 2012», г. Тамбов (2012), международной научной конференции «Проблемы механики современных машин» (2009), на IV региональном научно-производственном семинаре «Чтения Й.П. Терских», г. Иркутск (2011), научно-технической конференции БГСХА им. В.Р. Филиппова (2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц, 77 рисунков, список литературы из 173 наименований и 3 приложения.

Глава 1. Состояние технологий и технических средств для измельчения и возможности совершенствования рабочих органов

вальцевых измельчителей зерна

1.1. Зоотехнические требования, предъявляемые к кормам, и критерии оценки крупности измельчения

Зерновые корма в рационах крупного и мелкого рогатого скота, а также свиней, согласно зоотехническим требования к кормлению животных, составляют до 30, а в некоторых случаях и больше процентов по питательности.

Одним из важнейших требований к зерновым кормам является их измельчение перед скармливанием сельскохозяйственным животным, в том числе и крупному рогатому скоту [73].

Зерновые корма лучше усваиваются в размолотом или дробленом виде, причем жвачным животным и свиньям зерновые корма скармливают в молотом виде, кроликам и птице — в дробленом [31,34,39].

Измельчение зерновых кормов обусловлено физиологией сельскохозяйственных животных. Дело в том, что скорость обработки частиц корма желудочным соком прямо пропорциональна площади их поверхности.

Для птицы качество помола считается тем лучше, чем в корме меньше мучнистых пылевидных фракций, так как их наличие способствует большим потерям корма [34]. Корм мелкого помола быстро проходит через пищеварительный тракт птицы и поэтому хуже усваивается организмом. Поэтому для взрослой птицы чаще используют зерновые компоненты крупного помола, для молодняка — среднего [72].

В результате измельчения кормов образуется множество частиц с большей общей поверхностью, что способствует ускорению пищеварения и повышению усвояемости питательных веществ. Поэтому содержание целых зёрен в измельчённом продукте не должно превышать 0,3-0,5%. Как

свидетельствует отечественный и зарубежный опыт, нарушение этих границ ведёт к перерасходу кормов. Однако чрезмерное измельчение зерна до состояния пыли также снижает эффективность его использования. Так, среднесуточные приросты молодняка свиней оказались на 18% ниже при скармливании кукурузной дерти с размером частиц 0,2 мм, чем при скармливании дерти с рекомендуемым размером частиц. К тому же при переизмельчении увеличиваются затраты энергии дробилкой.

На практике в качестве критерия крупности продукта используют модуль помола М - средневзвешенный диаметр частиц, установленный для каждого вида животных[32]:

- свиней - 0,2... 1,0 мм (тонкий помол);

- крупного рогатого скота - 1,0... 1,8 мм (средний помол);

- птиц - 1,8...2,6 мм (грубый помол).

Модуль помола определяют при помощи ситового анализа, т.е. рассева навески измельчённого корма на фракции с целью определения его гранулометрического состава. Для этого навеску дерти (100 г) просеивается на лабораторном рассеве вибрационного типа через набор сит с круглыми отверстиями диаметром 5, 3, 2 и 1 мм при грубом и среднем измельчении или диаметром 4, 3, 2, 1 и 0,2 мм - при тонком. Верхние сита с отверстиями диаметром 5 и 4 мм являются контрольными для учёта целых зёрен. Зёрна на этих ситах присоединяются к остаткам на сите с 3 мм [32].

Исчисление средневзвешенного диаметра (т.е. модуля размола) проводят по формуле

У а. Р.

м _с11Р1+с12Р2+... + с111Рп ' '

100 100 , (1.1)

где ¿1 - средний размер отверстий двух смежных сит, мм; Р, - массовый выход фракции, т.е. остаток на каждом сите, выраженный в процентах от

массы всей навески; п - количество фракций, на которое разделилась навеска.

Рисунок 1.1 Примерный вид гистограммы (7) и полигона распределения (2) частиц в

измельчённом продукте

Продукт измельчения представляет собой смесь, состоящую из частиц со случайными размерами в диапазоне от с1т\п до с1тах- Однако при построении теоретических законов распределения размеров частиц (вероятности получения того или иного размера) принимают, что с!т\п = 0, а размер максимальной частицы принимают равным размеру ячейки сита, на котором не остается материала.

1.2 Эффективность применения различных конструкций измельчителей зерновых кормов по показателям

В перерабатывающей промышленности измельчение является вторым после прессования процессом по энергозатратам.

Этот первый этап в производственном процессе переработки кормов служит для эффективности переработки, увеличивая площадь поверхности перерабатываемых материалов, что увеличивает количество кормов, поступающих в пищеварительную систему животных и в конечном счёте ведёт к лучшему перевариванию, таким образом достигается лучшая усваиваемость кормов.

Поскольку потребности животных различаются, степень обработки корма для различных типов кормления также должны различаться. Крупный рогатый скот и овцы имеют довольно длинные, сложные пищеварительные тракты и поэтому требуют меньшей переработки корма. Свиньи имеют довольно короткую, простую пищеварительную систему (как у людей) и поэтому лучше усваивают более мелкоизмельчённые корма. У домашней птицы пищеварительная система короткая, но сложная, и в зависимости от типа кормления может эффективно использовать корма, менее переработанные, чем для свиней. Размер и возраст животных также влияет на требования к кормлению, как и степень измельчения корма. Иначе говоря, молодняк требует более тонкой, более тщательной переработки корма, чем взрослые животные.

Измельчение также должно подготавливать материалы к вторичным операциям, таким как смешивание, гранулирование или экструдирование.

Вообще, более тонкоизмельчённые материалы или смеси лучше гранулируются или экструдируются по более низкой стоимости (энергия и обслуживание) на грануляторе или экструзионной машине. Конечно, чтобы достичь тонкого помола требуется больше энергии на тонну материала и часто производительность измельчителя уменьшается. Модуль помола должен соответствовать величине частиц и требуемой производительности всего производственного процесса переработки [3,76].

Из-за большого разнообразия компонентов комбикорма и составов, нет «идеального» значения величины модуля для каждого вида и возраста животного. Диаграмма, представленная ниже, показывает общепринятые �