автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования молотковой дробилки зерна путём совершенствования пневматической загрузки и сепарирующей поверхности

064695720

КАСЬЯНОВ ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ

ЗЕРНА ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ И СЕПАРИРУЮЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 h HIGH 2010

Киров-2010

004605720

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Савиных Пётр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

доцент

Шулятьев Валерий Николаевич

кандидат технических наук Сапожников Владимир Дмитриевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 9 июня 2010 года в 15 часов 30 минут на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 006.048.01 в Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 610007, Киров, ул. Ленина 166 а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии

С авторефератом можно ознакомиться на сайте по адресу: www.niish-sv.narod.ru

Автореферат разослан мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Ф.Ф. Мухамадьяров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили технологии производства комбикормов непосредственно в хозяйствах с помощью малогабаритных комбикормовых агрегатов, большая часть из которых имеет в своём составе дробилку с пневматической загрузкой-выгрузкой исходных компонентов комбикорма, при этом загрузка и выгрузка осуществляются пневмотранспортом самой дробилки, что позволяет отказаться от дополнительных погрузочных устройств, улучшить санитарно-гигиенические условия работы и технику безопасности обслуживающего персонала, существенно снизить затраты на производство комбикорма.

Однако опыт эксплуатации дробилок с пневмозагрузкой-выгрузкой выявил и ряд существенных недостатков: низкие показатели надёжности работы, связанные преимущественно с выходом из строя решета при попадании инородных твёрдых предметов; относительно низкие показатели качества готового продукта и производительности; повышенный износ выгрузного рукава и других узлов. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании конструкции дробилки.

Целью исследования является совершенствование конструктивно-технологической схемы и рабочих органов молотковой дробилки зерна.

Объект исследований - молотковая дробилка зерна закрытого типа, при её совместной работе с бункером-накопителем; технологический процесс измельчения зерна и рабочие органы пневматической загрузки-выгрузки и сепарирующей поверхности.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментально-теоретическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;

- математические модели рабочего процесса и оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с «дека-решетом» (патент РФ №2317146 на изобретение, патент РФ №74827 на полезную модель);

- результаты производственных испытаний дробилки и её энергетическая эффективность.

Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы, позволяют обосновать основные конструктивные параметры и режимы работы молотковой дробилки с «дека-решетом», которые мо-iyr быть использованы заводами-изготовителями, а также проектно-конструкторскими организациями и научно-исследовательскими учреждениями. Результаты исследований используются в: ОАО «Слободской машиностроительный завод» Кировской области при модернизации дробилок в комбикормовых установках КУ-2; Про-ектно-конструкторском бюро НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого при разработке комбикормовых агрегатов, в состав которых входит разработанная дробилка. Опытный образец дробилки прошёл испытания в Производственно-коммерческой фирме «Слон» (г. Киров) и внедрён в СПК «Конып» Кирово-Чепецкого района Кировской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях в Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2006, 2008 гг., НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого в 2008 г., Марийском государственном университете в 2009г.

По материалам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе одна в издании рекомендованном ВАК, и двух патентах РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

- конструктивно-технологическая схема дробилки зерна;

- математическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;

- математические модели рабочего процесса молотковой дробилки и её оптимальные конструктивно-технологические параметры;

- экономическая и энергетическая эффективности работы молотковой дробилки.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы - 130 наименований, 15 приложений. Работа содержит 158 страниц, 65 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель исследования и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи научных исследований» приведены классификации дробилок, зоотехнические требования, предъявляемые к качеству комбикормов, дан обзор конструктивно-технологических схем и анализ конструкций рабочих органов молотковых дробилок. Представлен краткий обзор научных работ по исследованиям процесса измельчения зерна. Исследованиями измельчения зерна занимались: Алёшкин В.Р., Баранов Н.Ф., Кирпичников Ф.С., Ломов В.И., Мельников C.B., Мохнаткин В.Г., Сысуев В.А., Сыроватка В.И., Шулятьев В.Н. и многие другие учёные.

По результатам проведённого анализа поставлены следующие задачи научных исследований:

- усовершенствовать конструктивно-технологическую схем}' молотковой дробилки;

- провести теоретические и экспериментальные исследования движения частицы материала до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;

- исследовать влияние конструктивно-технологических параметров дробилки на количественные, качественные, энергетические показатели рабочего процесса и определить их оптимальные значения;

- оценить экономическую и энергетическую эффективности работы дробилки.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к обоснованию конструкции и повышению эффективности функционирования молотковой дробилки» приведен системный теоретический анализ схем существующих дробилок с пневматической загрузкой-выгрузкой по перемещению материала с воздухом внутри дробилки, компоновки вентилятора, выгрузного патрубка. По результатам проведённого анализа обоснована конструктивно-технологическая схема дробилки с «дека-решетом» (рис. 1).

В процессе работы дробилки измельчённый материал проходит через лопатки вентилятора, что приводит к изменению энергетических и аэродинамических показателей, а также износу лопаток вентилятора, поэтому рассмотрено движение частицы материала, состоящее из двух этапов: в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой вентилятора дробилки.

На первом этапе рассмотрим движение частицы в воздушном по-

токе до взаимодействия с лопаткой вентилятора (рис. 2).

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки: а - общий вид; б - вид спереди; в - часть «дека-решета» с разрезом: 1 - корпус; 2 — спиральный кожух; 3 - наружный вентилятор; 4 - электродвигатель; 5 - молотково-вентиляторный ротор; 6 - внутренний диск; 7 - наружный диск; 8 - ось с молотками; 9 - дополнительный вентилятор; 10 - крышка; 11 - «дека-решето»; 12 - магнитный сепаратор-камнеуловитель; 13 - кольцо; 14 - стержни квадратного поперечного сечения с винтовыми канавками; 15 - всасывающий рукав; 16 - всасывающее устройство; 17 - заслонка; 18 -выгрузной патрубок; 19 - выгрузной рукав

На частицу, движущуюся во вращающемся воздушном потоке,

действуют сила тяжести тд — направленная вертикально вниз и си—»

ла аэродинамического сопротивления Я, направленная противоположно относительной скорости частицы иотн:

Я = -к ■ т ■ иотн • |т?0ТН|, (1)

где к — коэффициент парусности, который характеризует аэродинамические свойства частиц:

где ушт — скорость витания измельчённой частицы материала, увит = 4 м/с; 9 - ускорение свободного падения.

Вектор относительной скорости частицы иотн в воздушном потоке определится как:

4>тн = ^-г7в, (2)

где V — скорость частицы, м/с; рв - скорость воздушного потока, м/с.

Модуль силы аэродинамического сопротивления с учётом уравнения (2) примет вид:

Я = к • т • \р - рв\2.

Дифференциальное уравнение движения частицы в воздушном потоке в векторной форме имеет вид:

т^-Е + тд. (3)

Рисунок 2 -Движение частицы в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора

При решении уравнения (3) принимаем, что воздушный поток вращается и расширяется, поэтому скорость воздушного потока разложим на составляющие:

Vв = ^ев + (4)

где иеВ — скорость воздуха во вращательном движении, м/с; уви — радиальная скорость воздуха, м/с.

Подставляя проекции скоростей уеВ и на оси X и У в уравнение (4) получим:

(уВх = а)в ■ у + vBR(r) ■ соз(-сов • 0; Ьву = • X + Уви{г) • • С).

Поскольку направление вращения вентилятора рассматриваем

(5)

по часовой стрелке, то угол поворота • Ь имеет отрицательный знак.

Радиальная скорость воздуха, при условии неразрывности потока, в заданной точке в результате расширения канала примет вид:

vBr<J) =

ч _

fci

г0 т/х2+у2 ' где кг — приведённый расход воздуха, м2/с:

где <3 - расход воздуха, м3/с; В- ширина дробильной камеры, м; х, у-координаты точки, м.

(6)

Подставляя уравнения (5), (6) с учётом преобразований в уравнение (3), получим:

х = - (i —

щ-у-

• cos(-o)B • t) • к х

X \\у + (0В-х-

кг

ф^+у2

• Sin(-Ü)B • t)

п-

кг

i¡X2 + у2

■ cos(-&>B • t)

у = -д- у + шв•* -

К

Jx2 + у2

■ sin(-&iB • t) ) • к х

(7)

у + 6)В • X -

кг

fií+T2

• sin(—íoB • t)

а>в-у~

кг

Ф^ТУ2

■ COS(-ü)g • £)

1,50

У,м

0,75

•0,75

-1,50

траектория дЬихения

—у

■0,500 0,375 1,250 2,125 3,000 X, м

а б

Рисунок 3 - Траектория движения частицы материала до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора: а - вид расчётной траектории, построенной в среде «MathCad»; б - фрагмент траектории движения с наложением на схематичный разрез дробилки

Решая систему дифференциальных уравнений (7), находим траекторию движения частицы материала во вращающемся и расши-

(9)

ряющемся воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора (рис. 3), а полученные при этом данные г, х, у,х,у, учитываются при решении второй задачи - движение частицы во взаимодействии с лопаткой вентилятора (рис. 4).

Рассмотрим второй этап - процесс движения частицы материала по лопатке вентилятора с учётом начального движения в потоке воздуха (рис.4).

Запишем силы, действующие на частицу в проекции на оси X и У:

= со2 • х • т — ; (8)

0 = а)2-к-т + М-2'Ш-о)-х.

Учитывая, что Ртр = • / и = х получаем:

(т- х = ш2 • х - т- N ■ /;

[о = ш2-11'7П + Ы- 2- т- а)-х.

Преобразовывая систему (9), получаем дифференциальное уравнение движения:

х + 2-(1)-Х'/-со2-х = (о2-к-/. (10)

Общее решение дифференциального уравнения имеет вид:

* = е~п,ь • • е4^'1 +

} с (11)

Для определения постоянных С] и С2 дифференцируем уравнение (11):

* = е~п1 ■ [(-п + л/п2 + с ) • Сх • е7"5^ -

- (п + м'п2 + с ) • С2 ■ е-^^-']

Пользуясь начальными условиями при Ь = 0; х = 0; х = V, находим из уравнений (11) и (12):

Сл

v+a

2-с\1п2+с

С? =

-т;+а

2-сл/п2+с

• (п + л/п2 + с), (13) (—п + л/п2 + с).

Рисунок 4 - Взаимодействие частицы дерти с лопаткой вентилятора

Отрыв частицы будет происходить в том случае, если будем

N

выполняться условие — > 0.

Анализ зависимостей (рис. 5) показывает, что со всеми формами лопаток наружного вентилятора ^ > 0, обращения в нуль не про-

исходит, таким образом, отрыв частиц от лопатки начинается на входной кромке у всех форм лопаток наружного вентилятора.

а б

N

Рисунок 5 - Зависимости отношения — от: а - времени /; б - перемещения х по лопатке для: 1- загнутой вперёд на 20°; 2 - радиальной; 3 - отклонённой назад на 20°

Рисунок 6 - Траектория движения частицы материала по различным формам лопаток наружного вентилятора с учётом вращающегося воздушного потока: а - отклонённой назад на угол 20°; б - радиальной; в - криволинейной загнутой вперёд

Для наглядности, траектории движения частицы материала построены на схемы с различными формами лопаток наружного вентилятора (рис. 6). Из рисунка 6 видно, что траектория движения частицы проходит по всей поверхности у криволинейной загнутой вперёд лопатки, а наименьшая траектория движения по поверхности лопатки у прямой отогнутой назад на угол 20°, то есть наблюдается отрыв частицы от лопатки. Таким образом, при трении частиц материала, в результате отличий поверхностей контакта при отрыве частиц от лопаток с различными углами наклона, будет и разная сте-

пень износа лопаток вентилятора.

Для проверки теоретической модели движения частицы материала проведены экспериментальные исследования различных форм лопаток наружного вентилятора в одних условиях (рис. 13).

Необходимо отметить, что на входных кромках лопаток заметны отпечатки от крупных частиц дерти, напоминающих собой эффект дробеструйной обработки, причём у радиальной лопатки отпечатки более выражены по сравнению с отклонённой назад на угол 20°. Это можно объяснить тем, что в реальных условиях работы, вызванной большой линейной скоростью лопатки (порядка 100 м/с) и весьма малым промежутком времени перемещения межлопаточного канала (Аг ~ 0,0012 с), между лопаткой и частицей материала происходит ударное взаимодействие, при этом часть частиц, передавая ударный импульс и оставляя характерный отпечаток на лопатке, деформируется и разрушается, часть отскакивает и затем увлекается во вращающийся воздушно-продуктовый поток за пределы лопатки.

В случае абсолютно неупругих тел в результате удара относительная скорость обоих тел становится равной нулю, в случае удара абсолютно упругих тел эта скорость падает до нуля, а затем меняет знак.

В нашем случае, мы имеем дело с не совершенно упругими телами, тогда при ударном взаимодействии частицы массой т, с лопаткой, жестко связанной с молотково-вентиляторным ротором, массой т', в результате относительная скорость тел меняет знак и уменьшается в некотором заданном отношении к

- = /с(1/0-и0), (14)

где величина к лежит в интервале 0 < к < 1; при к = 0 — тела абсолютно неупругие, к = 1 — тела абсолютно упругие.

Из теоремы проекций количества движения запишем уравнение количества движения:

т • ьг + т • = т • и0 + т • у0, (15)

где у0, Ух — скорость частицы, соответственно, до и после удара;

Щ> ~ скорость лопатки, соответственно, до и после удара.

Уравнения (15) позволяют определить скорости ьг и у\. В уравнении (15) сложно определить для множества взаимодействующих с лопаткой рабочего колеса вентилятора частиц, поэтому изменение кинетической энергии молотково-вентиляторного ротора можно оценить по уравнению (16). В результате ударного взаимодействия, всегда происходит потеря кинетической энергии Ек, которая расходуется на деформацию тел и определяется из выражения:

По закону сохранения энергии потерянная кинетическая энергия превращается в другие виды энергии, как правило, в тепловую. Таким образом, установка отогнутой лопатки, обеспечивающая безударное вхождение в воздушно-продуктовый слой, позволит уменьшить энергоёмкость процесса.

В третьей главе «Программа и методика проведения экспериментальных исследований» изложена программа исследований, представлены приборы, измерительная и регистрирующая аппаратура, экспериментальные установки.

Дана методика проведения исследований с учётом соответствующих ГОСТов и общепринятых методик. Программа экспериментальных исследований включала несколько этапов, в частности, определение аэродинамических показателей дробилки на холостом ходу и основных показателей рабочего процесса дробилки при измельчении зерна, и состояла из однофакторных и многофакторных экспериментов. Программой многофакторного эксперимента предусматривалось определение конструктивно-технологических параметров дробилки, обеспечивающих выполнение технологического процесса с максимальной производительностью, минимальными удельными энергозатратами при заданных показателях качества, а также получение моделей регрессии рабочего процесса.

Для обработки и оформления полученных результатов использовались пакеты программ: MS Office, StatGraphics Plus, MathCad, Компас-ЗБ и другие.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» на первом этапе исследований оценивали влияние установки наружных вентиляторов с различными лопатками на аэродинамические показатели работы дробилки на холостом ходу. Влияние воздушного потока, создаваемого молотками и лопатками внутри молотково-вентиляторного ротора отдельно от наружного вентилятора не рассматривалось, ввиду конструктивных особенностей устройства дробилки. Стержни «деки-решета» устанавливали на максимальный зазор. В качестве критериев оценки аэродинамических свойств дробилки приняли зависимости полного Ру, статического и динамического Pd давлений, потребляемой мощности N, уровня шума L и коэффициент полезного действия г] от расхода воздуха Q.

Проведены исследования аэродинамических характеристик

дробилки зерна с тремя типами лопаток наружного вентилятора: криволинейных загнутых вперёд, прямолинейных отклонённых назад на угол 5° и 20°. идБА 8000

90

80

70 -

Р Р

' s-' v

Р,Ла 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

V

N —\ У Л— V ♦

\ N N

/ / / / * ZLУ S .

/ _—-г-

/ L 1 P„ \ \ V*

/ - -----' _____—- I7X- \ \

П

0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

300 600 900 1200 О. М /Ч

Рисунок 7 - Аэродинамическая характеристика дробилки с отклоненными назад на угол 20° лопатками рабочего колеса вентилятора

По результатам исследований построены аэродинамические характеристики дробилки (на рисунке 7 для примера представлена аэродинамическая характеристика дробилки с отклонёнными назад на угол 20° лопатками наружного вентилятора), проанализировав которые сделали вывод о том, что изменение формы лопаток наружного вентилятора позволяет изменить создаваемое давление: динамическое Pd,,ax с 1469 и 1092 до 1125 Па, статическое Ряиах с 7989 до 6467 и 6906 Па и снизить мощность, потребляемую дробилкой на создание воздушного потока с 7,35 до 5,70 и 4,95 кВт, максимальный КПД дробилки как вентилятора изменился с 27,5 до 23,5 и 30,8 %, максимальный расход воздуха QMax составил 1691, 1458 и 1480 м3/ч, а скорость воздушного потока при максимальном расходе составила 49,5; 42,6 и 43,2 м/с, соответственно, при загнутых вперёд, отклонённых назад на угол 5° и 20° лопатках наружного вентилятора. Таким образом, при отогнутых назад на угол 20° лопатках наружного вентилятора КПД дробилки наибольший и достигает 30,8%, максимальная скорость воздушного потока в рукаве - 43,2 м/с.

На следующем этапе исследовали влияние угла установки лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки.

Проведённые исследования показали, что изменение формы лопаток наружного вентилятора оказывает существенное влияние на

рабочий процесс измельчения зерна. Максимальная производительность дробилки, при сравнении результатов полученных с криволинейными загнутыми вперёд лопатками наружного вентилятора, по отношению к прямым отклонённым назад на угол 5° и 20°, возросла, соответственно, в 1,52 и 1,64 раза. Интервал среднего размера измельчённых частиц (модуль помола) изменился с 1,1. ..1,4 мм; 1,01...1,28 мм до 0,97...1,32 мм; уменьшились удельные энергозатраты в интервале с 3,50...3,35; 2,0...1,8 до 1,86.. .1,54 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.).

Рисунок 8 - Схема удара зерновки на примере установки стержней на угол 15°: а - против часовой стрелки; б - по часовой стрелке; 1 - неподвижный стержень; 2 - регулировочный стержень; 3 - молоток

Таким образом, наилучшие показатели рабочего процесса достигаются при отклонённых назад на угол 20° лопатках наружного вентилятора.

Набольшее влияние на крупность и качество помола оказывает установка стержней «деки-решета», причём направление установки незначительно влияет на гранулометрический состав, но существенно влияет на содержание целых зёрен в измельчённом продукте и пропускную способность «деки-решета». При установке стержней «деки-решета» против часовой стрелки (условно угол обозначен отрицательным знаком «-» ) содержание целых зёрен в среднем в 2,5 раза меньше, а пропускная способность в 1,1... 1,2 раза выше, чем при установке стержней по часовой стрелке (положительный угол), это объясняется тем, что при повороте против часовой стрелки (рис.8, а) угол между траекторией полета зерновки и плоскостью стержня составляет около 90 градусов, что способствует измельчению частиц зернового материала, а при установке стержней по часовой стрелке (рис.8, б) траектория полета зерновки приближается к касательной, что увеличивает энергозатраты на измельчение ма-

а

б

териапа и массовую долю целых зерен в измельчённом продукте. Оптимальные показатели качества и крупности помола, производительности дробилки достигаются при установке стержней против часовой стрелки на угол -5°.. .-15°.

На следующем шаге в исследованиях оценивали влияние сопротивления фильтров-пылеуловителей на показатели рабочего процесса дробилки.

а,

т/ч

& __

/

-—

кВт .22

20

18

6 М, т

Рисунок 9 - Влияние сопротивления фильтров-пылеуловителей АР5 на производило тельность дробилки <2Д и потребляемую мощность N от массы измельчённого зерна М

Па 1950

-1650

1050

'750

Перед началом эксперимента фильтры бункера-накопителя суммарной площадью 10,82 м прохлопаны, величина площади отверстий для подсоса воздуха всасывающим устройством выставлялась таким образом, чтобы обеспечить загрузку электродвигателя на номинал и в дальнейшем не изменялась.

Анализ зависимостей (рис.9) показывает, что с увеличением массы измельчённого зерна М, увеличивается сопротивление АР5 аспира-ционной системы бункера-накопителя, что приводит к снижению производительности дробилки ()д при одновременном снижении потребляемой мощности N. Это объясняется тем, что при увеличении сопротивления фильтров-пылеуловителей, возрастает избыточное давление в бункере-накопителе, в результате снижается скорость пневмотранспортирования и загрузка дробилки измельчаемым материалом, в дальнейшем возможно появление завалов в пневмотранс-портной системе или полное прекращение подачи материала в дробильную камеру.

Таким образом, засорённость фильтров-пылеуловителей ведёт к снижению показателей рабочего процесса дробилки, а при предельной засорённости приводит к нарушению технологического процесса.

Поскольку в производственных условиях пневмозагрузка дробилки контролируется по амперметру, то на следующем этапе исследовалось влияние величины подачи материала, определяющее загрузку электродвигателя, на показатели рабочего процесса дробилки.

На рисунке 10 приведены аппроксимированные зависимости

влияния режима работы дробилки на изменение среднего размера измельчённых частиц с1ср, степень измельчения X, производительность дробилки Qд, пылевидную фракцию П (частицы, проходящие через сито с диаметром отверстий 0,244 мм) при измельчении зерна ячменя (а) и пшеницы (б).

Из анализа зависимостей (рис.10) следует, что показатели рабочего процесса дробилки в зависимости от режима её работы изменяются, причём характер изменения полученных зависимостей при измельчении ячменя и пшеницы в целом выглядит одинаковым.

Сравнение показателей рабочего процесса, полученных при номинале (22 кВт) и загрузкой до 16 кВт показывает, что средний размер измельчённых частиц с1ср увеличивается: для ячменя - с 1,00 до 1,15 мм, для пшеницы - с 0,90 до 1,05 мм, а степень измельчения X уменьшается: для ячменя - с 4,3 до 3,74, для пшеницы - с 3,6 до 3,1, а производительность дробилки Од и пылевидная фракция Я уменьшаются, соответственно, для ячменя - до 2,35 т/ч и 6%, для пшеницы - до 2,7 т/ч и 9%.

Ол- т/ч 4,5 п% 18 г1

т 1,05

3,5 15 0,90

2,5 12 0,75

1,5 9

4* >

У '

3,6

3,0

16

и

20 б

22 НкВт

Ол-

пу'ч 4,8

3,8

I.«

Рисунок 10 - Влияние режима работы дробилки на средний размер частиц с1ср, степень измельчения X, производительность дробилки Qд, пылевидную фракцию П при измельчении: а - ячменя, б - пшеницы

При подаче материала, увеличивающей загрузку электродвигателя от номинала до 24 кВт, средний размер частиц измельчённого материала йср незначительно возрастает: для ячменя - с 1,00 до 1,05 мм, для пшеницы - с 0,90 до 1,02 мм, а степень измельчения X уменьшается: для ячменя - с 4,3 до 4,1, для пшеницы - с 3,6 до 3,45; производительность дробилки Од и пылевидная фракция П увеличиваются, соответственно, для ячменя - до 4 т/ч и 17%, для пшеницы-до 4,3 т/ч и 18%.

Регулировку подачи материала в дробильную камеру осуществляли всасывающим устройством, принцип работы которого заключается в изменении соотношения объёмов воздуха и измель-

чаемого материала, в результате которого меняется концентрации смеси в пневмотранспортной системе. По результатам исследований построена зависимость величины площади отверстий для подсоса воздуха £ при подаче материала, обеспечивающей загрузку электродвигателя на номинал от угла и направления установки стержней

«деки-решета» (рис. 11).

2 _______

Рисунок 11 - Зависимость величины площади отверстий для подсоса воздуха 5 от угла и направления установки стержней «деки-решета» (при номинальном режиме работы дробилки)

Анализ полученных зависимостей показывает, что при изменении угла установки стержней против часовой стрелки от 0° до -45° величина площади отверстий для подсоса воздуха линейно возрастает с 0,009 до 0,012 м2, а при изменении угла установки стержней по часовой стрелки от 0° до 45° градусов величина площади отверстий для подсоса воздуха изменяется по параболической кривой с 0,009 до 0,012 м2(при измельчении зерна ячменя).

Величина подсоса воздуха S различна в зависимости от вида измельчаемого материала, так, например, при измельчении пшеницы, площадь отверстий для подсоса воздуха при изменении угла установки стержней от 0° до ±45° возрастает с 0,005 до 0,008 м2 (рис. 11). Таким образом, сравнивая полученные результаты видим, что величина площади отверстий для подсоса воздуха при измельчении пшеницы в среднем в 1,5 раза меньше, чем при измельчении ячменя.

Также проведено исследование влияния всасывающей пнев-мотранспортирующей сети на рабочий процесс дробилки. Исследования проводили на всасывающем рукаве диаметром 100 мм с длиной /, равной 1; 5,5 и 10 м, для примера, на рисунке 12 представлены результаты исследований с лопатками рабочего колеса наружного вентилятора, отклонёнными на угол 20° назад к направлению вращения, и стержнями «деки-решета», установленными на угол -10 против часовой стрелки, что соответствует зазору между ними ~5 мм.

Исследования показали, что длина всасывающего рукава /

1 Ячмень

\

ч

Пшеница

ч !

Ч >ч •ч, ✓ у S

-45" -30° -15" 0° 15° 30" 450

практически не влияет на средний размер частиц измельчённого продукта dcp. Остаток на сите диаметром 3 мм Р и количество целых зёрен т с увеличением длины рукава от 1 м до 10 м снижаются, соответственно: для ячменя - с 2,7 до 2,5% и 0,3 до 0,2%, для пшеницы - с 2,4 до 2,2% и 0,4 до 0,3%, для гороха - с 2,2 до 2,0%, а количество целых зёрен равно нулю при любой длине рукава (рис.12).

S,

2

М

0,010

0,005

i Ji-

s -

Л,

р _______—д.

ср7

ММ

1,5

п

%

1,0-

0,5

0 J

, Л

«ч

3

2

0,4

0,2' 1

0 0

Рисунок 12 - Зависимости показателей работы дробилки при измельчении ячменя (сг>), гороха (О), пшеницы (Д) от длины всасывающего рукава / при лопатках наружного вентилятора отклонённых назад на угол 20

Для проверки теоретических предпосылок и модели движения частиц материала во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора проведена оценка влияния различных форм лопаток наружного вентилятора на движение частицы материала по лопатке и, соответственно, характер их износа.

После измельчения 1...2 т зерна проводился визуальный осмотр лопатки, на основании этого делали заключение о характере взаимодействия частиц с лопаткой. Проведённое наблюдение показало, что, например, при криволинейных загнутых вперёд лопатках рабочего колеса наружного вентилятора, частицы материала взаимодействуют со всей поверхностью лопатки и износу подвержена практически вся поверхность лопатки, при прямолинейных радиальных и отогнутых назад лопатках рабочего колеса наружного вентилятора, частицы взаимодействуют наиболее ярко выражено от входной кромки до половины лопатки, причём зона взаимодействия минимальна у лопатки, отогнутой назад на угол 20° и составляет не более % части от всей поверхности лопатки.

На рисунке 13, для примера, представлен фрагмент рабочего

колеса наружного вентилятора с 15 лопатками, отклонёнными назад на угол 5° и одной лопаткой, установленной радиально, в целях получения сравнительного испытания в одних условиях. Из рисунка 13 видно, что величина зоны взаимодействия (износа) частицы с лопаткой зависит от угла наклона лопатки, при этом у наклонной лопатки она меньше, что подтверждает теоретические исследования (рис. 6).

Рисунок 13 -Зона взаимодействия частиц дерти с различными формами лопаток вентилятора

Опыт эксплуатации дробилок с пневмозагрузкой-выгрузкой с прямым выгрузным патрубком показал, что в процессе работы происходит интенсивный износ выгрузного рукава в месте стыка с выгрузным патрубком, что в итоге приводит к нарушению технологического процесса, поэтому проведены исследования наклонного выгрузного патрубка с отклонением от вертикали на угол 5°, 15°, 25°. Исследованиями установлено, что оптимальным углом наклона выгрузного патрубка является 15°, который с минимальными потерями давления от наклона патрубка позволяет более равномерно распределить траекторию движения частиц по рукаву, по сравнению с прямым патрубком, в результате повысить ресурс выгрузного рукава.

Для установления оптимальных конструктивно-технологических параметров дробилки исследования проводились методом активно-пассивного эксперимента второго порядка. По результатам проведённых однофакторных экспериментов в качестве варьируемых активных факторов были выбраны: угол установки стержней X), площадь системы аспирации Х2; длина всасывающего рукава Хз. В качестве пассивного фактора - площадь отверстий для подсоса воздуха Х4. В качестве критериев оптимизации были выбраны следующие показатели: }'] - производительность дробилки Од, т/ч: У2 - удельные энергозатраты Э, кВт-ч/(т-ед.ст.изм.); Уз - содержание целых зёрен в измельчённом продукте т, %. Эксперименты проводили на ячмене сорта «Эколог» влажностью 13... 14%. Двигатель дробилки загружали на номинал.

лопатка

назад на 5°

радиальная лопатка

После реализации матрицы плана активно-пассивного эксперимента и расчетов коэффициентов регрессии получены адекватные математические модели второго порядка рабочего процесса дробилки (незначимые факторы исключены): У1 = 3,300 + 0Д14 • Хг + 0,053 • Х2 - 0,259 • - 0,390 • Х4 --0,270 • ^-0,041 •Х1-Х3- 0,163 ■ Х\ - 0,087 • Х\ --0,321 • Х3 • Х4 - 0,200 • (17)

У2 = 1,521 - 0,114 • Х± - 0,020 • Х2 + 0,036 • Х3 + 0,100 • ХА + +0,071 • Х\ + 0,083 •Х1-Х3 + 0,114 -Хг-Х4 + 0,071 • Х\ --0,052-Х2 •Х3 - 0,09Х2-Х4 + 0,056 ■ Х3 -Х4 + 0,027 ■ Х$; (18) У3 = 0,230 - 0,192 • Хг - 0,020 • Х2 - 0,028 ■ Х3 + 0,030 • Х4 + +0,169 -Х\. (19)

Анализ математических моделей (17...19) показывает, что на критерий оптимизации Уг влияют все факторы, но наибольшее влияние оказывают: длина всасывающего рукава (Ь3 = - 0,259), площадь отверстий для подсоса воздуха (Ъ4 = - 0,390) и их парное взаимодействие (Ь34 = - 0,321). На критерий оптимизации У2 в большей степени оказывают: угол установки стержней (6/ = - 0,114), площадь отверстий для подсоса воздуха {Ь4 = 0,100) и их парное взаимодействие (Ь14 = 0,114). На критерий оптимизации У3 наибольшее влияние оказывает угол установки стержней (6; = - 0,192).

Анализ математических моделей и двумерных сечений поверхностей отклика показал, что оптимальными показателями работы дробилки (на зерне ячменя) являются: производительность дробилки Од - 3,48 т/ч, удельные энергозатраты Э= 1,40 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), содержание целых зерен в измельчённом продукте т - 0,17 %, при угле установки стержней а = 5°... 10° против часовой стрелки, площади отверстий для подсоса воздуха 5 = 0,006...0,007 м2, длине всасывающего рукава / = 1...4 м и площади системы аспирации Г - 8,3м2, при этом измельчённый продукт отвечает зоотехническим требованиям для всех групп животных, за исключением цыплят в возрасте 1.. .4 дня.

В пятой главе «Эффективность работы молотковой дробилки» представлены расчёты экономической и энергетической эффективно-стей молотковой дробилки с «дека-решетом» ДЗ-4П.

Годовой экономический эффект от применения дробилки при измельчении зерна, в сравнение с дробилкой КУ-203, составил 62033 руб. Срок окупаемости 2,3 года. Энергетическая эффективность разработанной дробилки, по отношению к базовой дробилке КУ-203, оценённая уровнем интенсификации, составила 29 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована конструктивно-технологическая схема дробилки зерна с пневматической загрузкой-выгрузкой исходных компонентов комбикорма, содержащая наружный вентилятор, совмещённый с молотковым ротором, полностью охватывающий дробильную камеру, «дека-решето», состоящее из двух колец с пазами, между которыми расположены стержни квадратного поперечного сечения с нанесёнными на них винтовыми канавками; наклонный выгрузной патрубок (патент РФ №23117146 на изобретение, патент РФ №74827 на полезную модель).

2. Математические зависимости (7), (10), (16), позволяют определить траекторию движения частиц материала во вращающемся воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора, а также изменение кинетический энергии от ударного взаимодействия, на основании которых установлено, что в результате отрыва частицы от поверхности лопатки и незначительного ударного взаимодействия, меньшую зону износа имеет прямолинейная отклонённая назад на угол 20° лопатка наружного вентилятора дробилки.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальные показатели рабочего процесса дробилки достигаются при отклонённых назад на угол 20° лопатках наружного вентилятора, установке стержней «деки-решета» против часовой стрелки на угол 5°... 15°, угле наклона выгрузного патрубка на 15° от вертикали.

4. Математические модели рабочего процесса дробилки (17)...(19) и её оптимальные конструктивно-технологические параметры: угол установки стержней а = 5°...10° против часовой стрелки, площадь отверстий для подсоса воздуха Я = 0,006...0,007 м2, длина всасывающего рукава I = 1...4 м и площадь системы аспирации .Р = 8,3 м2, при пропускной способности дробилки ()д = 3,48 т/ч, удельных энергозатратах Э = 1,40 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), содержании целых зёрен в готовом продукте т = 0,17 %, при этом измельчённый продукт отвечает зоотехническим требованиям для всех групп животных, за исключением цыплят в возрасте 1... 4 дня.

5. Уровень интенсификации, в сравнении с дробилкой КУ-203, оцененный коэффициентом интенсификации, составил 29%. Годовой экономический эффект от внедрения дробилки при измельчении 3850 т зерна, в сравнении с базовой дробилкой КУ-203, составил 62033 рубля, срок окупаемости 2,3 года. Опытный образец дробилки с «дека-решетом» ДЗ-4П внедрён в СПК «Конып» Кирово-Чепецкого

района Кировской области. Результаты исследований переданы в ОАО «Слободской машиностроительный завод» Кировской области и ГУП ПКБ НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Касьянов В.Л. Обзор конструкций роторных дробилок зерна с пневмозагрузкой и выгрузкой для малогабаритных комбикормовых агрегатов // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвуз. сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2006. Вып. 6. Ч 3. С. 147-151.

2. Касьянов B.JI. Молотковая дробилка с пневмозагрузкой-выгрузкой // Совершенствование технологий и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства: Мат-лы науч. практ. конф. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007. С. 88-90.

3. Молотковая дробилка: пат. 2317146 Рос. Федерация. №2006121264/03; заявл. 15.06.2006; опубл. 20.02.2008; Бюл. №5.7 с.

4. Молотковая дробилка: пат. 74827 Рос. Федерация. №2008106596/22; заявл. 20.02.2008; опубл. 20.07.2008; Бюл. №20. 3 с.

5. Савиных П. А., Касьянов В Л. Модернизированная дробилка с пневмозагрузкой // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2008. Вып.8. С.190—194.

6. Савиных П.А., Касьянов В.Л. Результаты предварительных исследований молотковой дробилки с «дека-решетом» // Актуальные вопросы совершенствования технологии, производства и переработки продукции сельского хозяйства: Сб. науч. тр. Йошкар-Ола, 2008. Вып. 10. С. 367-372.

7. Результаты сравнительных исследований дробилок в малогабаритном комбикормовом агрегате / П.А. Савиных, B.JI. Касьянов [и др.] // Научно-технический прогресс в животноводстве - ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники: Сб. науч. тр. Подольск, 2008. Т.18. 4.3. С.60-70.

8. Савиных П.А., Турубанов Н.В., Касьянов B.JI. Результаты экспериментальных исследований дробилки зерна в составе малогабаритного комбикормового агрегата // Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska i standardow ue: Mate-rialy na konferencje. Warszawa, 23-24 wrzesnia 2008. S. 181-186.

9. Савиных ПЛ., Турубанов Н.В., Касьянов В.Л. Модернизация дробилки зерна с дека-решетом // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. №11. С. 24-26.

10. Турубанов Н.В., Касьянов В.Л. Технико-экономическая и энергетическая эффективность молотковой дробилки зерна с «дека-решетом» ДЗ-4П // Актуальные вопросы совершенствования технологии, производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мат-лы XI межд. науч. практ. конф. Йошкар-Ола, 2009. С. 220-225.

П.Савиных П.А., Турубанов Н.В., Касьянов В.Л. Оптимизация конструктивно-технологических параметров работы молотковой дробилки с дека-решетом // Научно-технический прогресс в животноводстве - стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции на период до 2020 г.: Сб. науч. тр. Подольск, 2009. Т.20.4.3. С. 13-19.

12. Савиных П.А., Касьянов В.Л. Математическая модель движения частиц материала в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора в дробилке ДЗ-4П // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Мат-лы III межд. науч. практ. конф.: Сб. науч. тр. Киров, 2010. Вып. 11. С.158-162.

Подписано в печать 29.04.2010 Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 34 Отпечатано с оригинал-макета.

Типография ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166-а.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Классификация дробилок.

1.2 Зоотехнические требования, предъявляемые к качеству комбинированных кормов.

1.3 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок.

1.3.1 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна открытого типа.

1.3.2 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна закрытого типа.

1.4 Анализ конструкций рабочих органов дробилок зерна.

1.4.1 Обзор конструкций сепарирующих поверхностей.

1.4.2 Обзор конструкций вентиляторов в дробилках зерна с пневматической загрузкой и выгрузкой.

1.5 Обзор научных работ по исследованиям процессов измельчения зерна.

1.6 Задачи научных исследований.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУК-ЦИОНИРОВАНИЯ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ.

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы дробилки зерна.

2.2 Исследование движения частиц материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора

2.2.1 Исследование движения частицы материала в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора

2.2.2 Исследование движения частицы материала во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Программа экспериментальных исследований.

3.2 Приборы, устройства и оборудование для исследования процессов измельчения зерна и аэродинамических показателей дробилки.

3.3 Экспериментальная установка для исследования технологического процесса измельчения зерна.

3.4 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4.1 Методика определения основных показателей работы дробилки и процесса измельчения.

3.4.2 Методика исследования аэродинамических показателей дробилки.

3.4.3 Краткая методика проведения активно-пассивного эксперимента.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Исследование аэродинамических показателей дробилки с «дека-решетом» на холостом ходу.

4.2 Исследование влияния угла установки лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки.

4.2.1 Исследование влияния криволинейных загнутых вперёд лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки.

4.2.2 Исследование влияния прямолинейных отклоненных назад на угол 5° лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки.

4.2.3 Исследование влияния прямолинейных отклоненных назад на угол 20° лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки.

4.3 Влияние сопротивления фильтров-пылеуловителей аспираци-онной системы на рабочий процесс дробилки.

4.4 Влияние величины подачи материала на показатели рабочего процесса дробилки.

4.5 Исследование влияния всасывающей пневмотранспортирующей сети на рабочий процесс дробилки.

4.6 Влияние формы выгрузного патрубка и лопаток наружного вентилятора на движение частиц материала.

4.6.1 Влияние формы выгрузного патрубка на движение частиц материала по выгрузному рукаву.

4.6.2 Движение частиц материала по различным формам лопаток наружного вентилятора дробилки.

4.7 Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки.

5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ.

5.1 Технико-экономическое обоснование применения дробилки с «дека-решетом» ДЗ—4П.

5.2 Расчёт энергетической эффективности.

Обеспечение населения России качественными продуктами животноводства при минимальных затратах - одна из наиболее актуальных проблем современного сельскохозяйственного производства. Выполнение поставленной задачи возможно только при комплексной механизации трудоёмких процессов, широком внедрении прогрессивных технологий и новых технических средств.

Объём и эффективность производства животноводческой продукции зависят от уровня кормления животных и сбалансированности рационов по питательным веществам. Высокие экономические показатели в животноводческой отрасли достигаются за счёт приготовления полнорационных комбикормов, максимально удовлетворяющих потребности животного в питательных веществах. Известно, что использование в рационах комбикормов, сбалансированных по питательным веществам, позволяет получить повышение продуктивности животных на 10. 12%, а при обогащении рационов биологически активными веществами продуктивность возрастает на 25.30%. и более [45]. Поэтому производство комбикормов является важным направлением сельскохозяйственного производства на пути как повышения качества и количества продукции животноводства, так и снижения издержек производства. Одной из основных операций в технологическом процессе приготовления комбикормов и самой энергоёмкой является измельчение, поэтому снижение энергоёмкости данного процесса, повышение качества измельчения являются актуальными задачами.

В настоящее время, наибольшее распространение получили технологии производства комбикормов непосредственно в хозяйствах с помощью малогабаритных комбикормовых агрегатов, поскольку это экономически целесообразно: максимально используется собственная кормовая база; существенно снижаются транспортные издержки; появляется возможность оперативного изменения рецептуры комбикорма и его суточной потребности. Помимо этого, малогабаритные комбикормовые агрегаты обладают меньшей металло-энергоёмкостью и сравнительно быстрой окупаемостью [53,124. 126].

Большая часть современных малогабаритных комбикормовых агрегатов имеет в своём составе дробилку с пневматической загрузкой и выгрузкой исходных компонентов комбикорма, при этом загрузка и выгрузка осуществляются пневмотранспортом самой дробилки, что позволяет отказаться от дополнительных погрузочных устройств, улучшить санитарно-гигиенические условия работы и технику безопасности обслуживающего персонала, благодаря уменьшению запыленности воздуха и вследствие отсутствия движущихся частей в линиях агрегата, даёт возможность забирать транспортируемый материал из одного или нескольких мест и выгружать его в одно или несколько мест, а также исключить потери материала при его транспортировании, меньшей по сравнению с механическим транспортированием стоимостью оборудования [120].

Однако опыт эксплуатации дробилок с пневмозагрузкой-выгрузкой выявил и ряд существенных недостатков: низкие показатели надёжности работы, связанные преимущественно с выходом из строя решета при попадании инородных твёрдых предметов; относительно низкие показатели качества готового продукта и производительности; повышенный износ выгрузного гибкого рукава и других узлов. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании конструкции дробилки.

Целью исследования является совершенствование конструктивно-технологической схемы и рабочих органов молотковой дробилки зерна.

Объект исследований - молотковая дробилка зерна закрытого типа, при её совместной работе с бункером-накопителем; технологический процесс измельчения зерна и рабочие органы пневматической загрузки-выгрузки и сепарирующей поверхности.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментально-теоретическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;

- математические модели рабочего процесса и оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с «дека-решетом» (патент РФ №2317146 на изобретение, патент РФ №74827 на полезную модель);

- результаты производственных испытаний дробилки и её энергетическая эффективность.

Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы позволяют обосновать основные конструктивные параметры и выявить оптимальные режимы работы молотковой дробилки, которые могут быть использованы заводами-изготовителями данного оборудования, а также проектно-конструкторскими организациями и научно-исследовательскими' учреждениями. Результаты исследований используются в: ОАО «Слободской машиностроительный завод» Кировской области при модернизации дробилок в комбикормовых установках КУ-2 (Приложения 10, 11); Проектно-конструкторском бюро НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого при разработке комбикормовых агрегатов, в состав которых входит разработанная дробилка (Приложения 12, 13). Опытный образец дробилки прошёл испытания в Производственно-коммерческой фирме «Слон» (г. Киров) и внедрён в СПК «Конып» Киров-Чепецкого района Кировской области (Приложения 7.9).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях в Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2006, 2008 гг., НИИСХ Северо

Востока им. Н.В. Рудницкого в 2008 г., Марийском государственном университете в 2009 г. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, и двух патентах РФ.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГУ НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого по теме 02.04.02, номер государственной регистрации 01970007280.

На защиту выносятся следующие положения:

- конструктивно-технологическая схема дробилки зерна;

- математическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;

- математические модели рабочего процесса молотковой дробилки и её оптимальные конструктивно-технологические параметры;

- экономическая и энергетическая эффективности работы молотковой дробилки.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы - 130 наименований, 15 приложений. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 11 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована конструктивно-технологическая схема дробилки зерна с пневматической загрузкой-выгрузкой исходных компонентов комбикорма, содержащая наружный вентилятор, совмещённый с молотковым ротором, полностью охватывающий дробильную камеру, «дека-решето», состоящее из двух колец с пазами, между которыми расположены стержни квадратного поперечного сечения с нанесёнными на них винтовыми канавками; наклонный выгрузной патрубок (патент РФ на изобретение №23117146, патент РФ на полезную модель №74827).

2. Математические зависимости (2.12), (2.15), (2.17), позволяют определить траекторию движения частиц материала во вращающемся воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора, а также изменение кинетический энергии от ударного взаимодействия, на основании которых установлено, что в результате отрыва частицы от поверхности лопатки и незначительного ударного взаимодействия, меньшую зону износа о имеет прямолинейная отклонённая назад на угол 20 лопатка наружного вентилятора дробилки.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальные показатели рабочего процесса достигаются при отклонённых назад на угол 20° лопатках наружного вентилятора, установке стержней «деки-решета» против часовой стрелки на угол 5°.15°, угле наклона выгрузного патрубка на 15° от вертикали.

4. Математические модели рабочего процесса дробилки (4.1).(4.3) и её оптимальные конструктивно-технологические параметры: угол установки стержней а — 5°. 10° против часовой стрелки, площадь отверстий для подсоса воздуха Я = 0,006.0,007 м , длина всасывающего рукава / = 1.4 м и площадь системы аспирации Р = 8,3 м , при пропускной способности дробилки Од = 3,48 т/ч, удельных энергозатратах Э = 1,40 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), содержании целых зёрен в готовом продукте т = 0,17 %, при этом измельчённый продукт отвечает зоотехническим требованиям для всех групп животных, за исключением цыплят в возрасте 1. .4 дня.

5. Уровень интенсификации, в сравнении с дробилкой КУ—203, оцененный коэффициентом интенсификации составил 29%. Годовой экономический эффект от внедрения дробилки при измельчении 3850 т зерна, в сравнении с базовой дробилкой КУ-203, составил 62033 рубля, срок окупаемости 2,3 года. Опытный образец дробилки с «дека-решетом» ДЗ-4П внедрён в СПК «Конып» Кирово-Чепецкого района Кировской области. Результаты исследований переданы в ОАО «Слободской машиностроительный завод» Кировской области и ГУП ПКБ НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого.

123

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 297 с.

2. Алёшкин В.Р., Рощин П.М. и д.р. Механизация животноводства. М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.

3. Алёшкин В.Р. Повышение эффективности процесса и технических средств механизации измельчения кормов: дис.д-ра техн. наук. СПб-Пушкин, 1995. 412с.

4. Аппель П. Динамика системы. Аналитическая механика. М.: Изд-во физ. мат. лит-ры, 1960. Т.2. 487 с.

5. A.c. 1727889 СССР. Мельница / Б. И. Изаак, В.А. Королёв и С.П. Шмакова. №4701748/33; заявл. 06.06.89; опубл. 23.04.92, Бюл. №15. 5с.

6. A.c. 1747153 СССР. Устройство для измельчения кормов / В.А. Сысуев, Н.Ф. Баранов и др.. №4799201/33; заявл. 05.03.90; опубл. 15.07.92, Бюл. №26. 3 с.

7. A.c. 1095993 СССР, Молотковая дробилка / Алёшкин В.Р., Сысуев В.А., Баранов Н.Ф. и др.. 3 с.

8. Барабашкин В.П. Молотковые и роторные дробилки. 2-е изд. М.: Недра, 1973. 144 с.

9. Баранов Н.Ф., Шулятьев В.Н. Многоступенчатое измельчение зерна // Концепция развития механизации, электрификации и автоматизации агропромышленного комплекса Северо-Востока: Мат. науч. практ. конф. Киров, 1998. С. 69-70.

10. Баранов Н.Ф., Мохнаткин В.Г., Шулятьев В.Н. Бытовой измельчитель кормов // Сельскохозяйственная наука Северо-Востока европейской части России: Сб. науч. тр. Киров, 1995. Т. 4. С. 164 168.

11. Баранов Н.Ф., Шулятьев В.Н., Поярков М.С. Малогабаритный комбикормовый агрегат // Совершенствование средств механизации в сельскохозяйственном производстве: Тез. докл. науч. конф. Киров, 2000. С. 15-18.

12. Бауман В.А. Роторные дробилки. М.: Машиностроение, 1973. 272с.

13. Белорусский государственный аграрный технический университет Электронный ресурс. Электрон, текст, дан. и граф. Минск: БГАТУ, [2008]. URL: http: // www.batu.edu.by/tmgcontent.html. Режим доступа свободный. Загл. с экрана (дата обращения 11.10.2008).

14. Белянчиков H.H. Механизация технологических процессов. М.: Агропромиздат, 1989. 400 с.

15. Бурков А.И., Сычугов Н.П. Зерноочистительные машины. Конструкция, исследование, расчет и испытание. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2000. 261с.

16. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. 3-е изд. М.: Колос, 1973. 199 с.

17. Выбор мощности электропривода молотковых дробилок с центральной и радиальной подаче продукта / Барбицкий А.П., Спорыхин В.В. и др. // Энергетика, динамика, износ и ремонт сельскохозяйственной техники: Сб. науч. тр. Воронеж, 1978. Т. 99. С. 39-60.

18. ГОСТ 18221-99. Комбикорма полнорационные для сельскохозяйственной птицы. Технические условия. М., Стандартинформ, 2006. 7 с.

19. ГОСТ 21055-96. Комбикорма полнорационные для беконного откорма свиней. Общие технические условия. Минск, Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002. 4 с.

20. ГОСТ 14916-82 Дробилки. Термины и определения. М., Изд-во стандартов, 1983. 13 с.

21. ГОСТ 28098-89 Дробилки кормов молотковые. Общие технические условия. М., Изд-во стандартов, 1989. 3 с.

22. ГОСТ 9268-90. Комбикорма-концентраты для крупного рогатого скота. Технические условия. М., Изд-во стандартов, 2002. 6 с.

23. ГОСТ 10199-81. Комбикорма-концентраты для овец. Технические условия. М., Изд-во стандартов, 2002. 6 с.

24. ГОСТ Р51550-2000. Комбикорма-концентраты для свиней. Общие технические условия. М., Изд-во стандартов, 2002. 8 с.

25. ГОСТ Р52255-2004 Комбикорма для свиней. Номенклатура показателей. М., Стандартинформ, 2007. 4 с.

26. ГОСТ 13496.0-80 Комбикорма. Часть 4. Корма. Комбикорма. Комбикормовое сырьё. Методы анализа. М., Изд-во стандартов, 2002. 5 с.

27. ГОСТ 13496.8-72 Комбикорма. Методы определения крупности размола и содержания неразмолотых семян культурных и дикорастущих растений. М., Изд-во стандартов, 1972. 2 с.

28. ГОСТ Р 51419-99 (ИСО 6498-98) Корма, комбикорма, комбикормовое сырьё. Подготовка испытуемых проб. М., Изд-во стандартов, 2002. 6 с.

29. ГОСТ 13496.3-92 Комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения влаги. М., Изд-во стандартов, 2002. 4 с.

30. ГОСТ 24055-88 Методы эксплуатационно-технологической оценки. М., Изд-во стандартов, 1988. 15 с.

31. ГОСТ 12.1.050-86 Система стандартов безопасности труда. Методы измерения шума на рабочих местах. М., Стандартинформ, 2007.

32. ГОСТ 12.1.003-83 Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности. М., Стандартинформ, 2008. 11 с.

33. ГОСТ 12.2.042-91 Система стандартов безопасности труда. Машины и технологическое оборудование для животноводства и кормопроизводства. Общие требования безопасности. М., Изд-во стандартов, 1991.

34. Глебов JL, Гамзаев Г. Гранулометрический состав измельченного зерна// Комбикормовая промышленность. 1997. № 8. С. 15.

35. Гришин М.Е., Рощин П.М. Влияние параметров решета дробилки на показатели процесса измельчения // Записки ЛСХИ. Ленинград-Пушкин, 1970, Т. 149. Вып.2, С. 18-23.

36. Дробилка КУ—203. Руководство по эксплуатации. Слободской, 2008. 23с.

37. Дробилка малогабаритная для измельчения фуражного зерна ДЗ-Ф-2. Руководство по эксплуатации. Слободской, 1998. 38 с.

38. Дробилка молотковая ДМ-4—1. Руководство по эксплуатации. Слободской, 2008. 29 с.

39. Егоров Г.А., Мартыненко Я.Ф., Петренко Т.П. Технология и оборудование мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленности. М.: Издательский комплекс МГАПП, 1996. С. 20-36.

40. Ерохин М.Н. Проектирование и расчёт подъёмно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения. М.: Колос, 1999. 228с.

41. Жислин Я.М. Оборудование для производства комбикормов, обогатительных смесей, премиксов. М.: Колос, 1981. 319 с.

42. Завражнов А.И., Николаев Д.И. Механизация приготовления и хранения кормов. М.: Агропромиздат, 1990. 336 с.

43. Заготовка и приготовление кормов в Нечерноземье: Справочник / B.C. Сечкин, Л.А. Сулима и др.. Л.: Агропромиздат, 1988. 480 с.

44. Зафрен С.Я. Технология приготовления кормов. Справочное пособие. М.: Колос, 1977. 240 с.

45. Зверев C.B. Производство комбикормов непосредственно в хозяйствах // Техника и оборудование для села. 2000. №5. С. 13-16.

46. Земсков В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание оборудования кормоцехов. М.: Россельхозиздат, 1982. 208 с.

47. Иванов О .П., Мамченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы. JL: Машиностроение, 1986. 280 с.

48. Игнатьевский Н.Ф. Исследование воздушного режима в молотковых дробилках: Автореф. дис.канд.техн. наук. Ленинград-Пушкин, 1968.

49. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. М.: Высшая школа, 1979. 223 с.

50. Касьянов В.Л. Молотковая дробилка с пневмозагрузкой-выгрузкой // Совершенствование технологий и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства: Мат-лы науч. практ. конф. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007. С. 88-90.

51. Каталог продукции. М.: ОАО «Мовен». 104 с.

52. Кирпичников Ф.С. Исследование воздушного режима молотковых дробилок: Автореф. дис.канд. техн. наук. Ленинград-Пушкин, 1973. 17 с.

53. Кирпичников Ф.С., Яровский A.A., Клименко Н.И. Исследования вентиляционных свойств комбинированного ротора молотковой дробилки // Механизация сельскохозяйственного производства: Науч. тр. УСХА. Киев, 1974. №59. С. 24-27

54. Компания «Полымя» Электронный ресурс. Электрон, текст, дан. и граф. Борисов, [2008]. URL: http: // www.polymya.ru/catalog, Режим доступа свободный. Загл. с экрана (дата обращения 10.11.2008).

55. Компания ООО «Доза-агро» Электронный ресурс. Электрон, текст, дан. и граф. Н.Новгород, [2006]. URL: http:// www.dozaagro.ru, Режим доступа свободный. Загл. с экрана (дата обращения 10.11.2008).

56. Компания ООО «Агро-АШ» Электронный ресурс. Электрон, текст, дан. и граф. М., [2003]. URL: http://www.agroklad.ru, Режим доступа свободный. Загл. с экрана (дата обращения 10.11.2008).

57. Короткое В.Г. К определению расхода энергии в измельчителе ударно-истирающего действия // Техника в сельском хозяйстве. 2001. №5. С. 18-19.

58. Коротков В.Г. Распределение окружных скоростей в измельчителе ударно-истирающего действия // Техника в сельском хозяйстве. 2001. №1. С. 34-35.

59. Коротчиков П.Х. Новое оборудование для переработки фуражного зерна в хозяйствах // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1996. №3. С. 8-9.

60. Кошелев А.Н., Глебов JI.A. Производство комбикормов и кормовых смесей. М.: Агропромиздат, 1986. 176 с.

61. Кузнецов Б.В. Выбор электродвигателей к производственным механизмам. Минск: Беларусь, 1984. 80 с.

62. Куприц Я.Н. Физико-химические основы размола зерна. М.: Заготиз-дат, 1946. 198 с.

63. Кулаковский И.Ф., Кирпичников Ф.С., Резник E.H. Машины и оборудование для приготовления кормов: 4.1 Справочник. М.: Россельхозиздат, 1987. 288 с.

64. Лобановский Г.А. Кормоцехи на фермах. М.: Колос, 1979. 311 с.

65. Ломов В.И., Соколов А.Г., Гринчук И.М. Теоретическое обоснование размещения ударных рабочих органов кормодробилки // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. Зеленоград, 1977. Вып. 28. С. 48 52.

66. Ломов В.И. Экспериментальное исследование молотковой дробилки для измельчения зернового корма // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. Зеленоград, 1977. Вып. 28. С. 101-108.

67. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad 14. СПб.: Питер, 2007. 592 с.

68. Малогабаритный комбикормовый агрегат: пат. 2185081 Рос. Федерация. №2000101116/13; заявл. 19.01.2000; опубл. 20.07.2002. 8 с.

69. Машины для строительства промышленных, гражданских, гидротехнических сооружений и дорог. М.: Машиностроение, 1976. Т. 1. С. 364-365.

70. Мельников C.B., Кирпичников Ф.С. Расход энергии на создание воздушного потока ротором дробилки // Записки ЛСХИ. Ленинград-Пушкин, 1976. Т. 290. С. 16-24.

71. Мельников C.B. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с.

72. Мельников C.B. Аэродинамические исследования молотковых кормод-робилок // Земледельческая механика: Сб. науч. тр. М.: Машиностроение, 1971. Т. 13. С.270-281.

73. Мельников C.B. Классификация молотковых дробилок // Механизация сельскохозяйственного производства: Записки ЛСХИ. Л.: ЛСХИ, 1972. С. 3-8.

74. Мельников C.B., Гришин М.Е. Исследование воздушного режима агрегата АВМ-0,4 // Механизация сельскохозяйственного производства: Записки ЛСХИ. Л.: ЛСХИ, 1971. Вып.2. С. 9-17.

75. Мельников C.B. Технологическое оборудование животноводческих ферм. Л.: Агропромиздат, 1985.

76. Мельников C.B. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. М.: Колос, 1972. 200 с.

77. Мельников C.B. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.

78. Мельников C.B., Андреев П.В. Механизация животноводческих ферм. М.: Колос, 1969. 440 с.

79. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. М.: ВИМ, 1994. 106 с.

80. Методическое пособие по агроэнергетической и экономической оценке технологий и систем кормопроизводства. М.: ВИК, 1995. 175 с.

81. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. М.: ВИЭСХ, 1995. 95 с.

82. Методическое пособие по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части Российской Федерации / Мухамадьяров Ф.Ф., Фигурин В.А. и др.. Киров: НИИСХ С.-В., 1997. 62 с.

83. Методические указания. Планирование исследовательских испытаний: Основные положения. РД 50 - 353 - 82. М.: Стандарт, 1983. 56 с.

84. Механизация приготовления кормов: Справочник / Под общ. ред. В.И. Сыроватки. М.: Агропромиздат, 1985. 368 с.

85. Механизация и технология производства продукции животноводства / В.Г. Коба, Н.В. Брагинец и др.. М.: Колос, 2000. 528 с.

86. Молотковая дробилка: пат. 2317146 Рос. Федерация. №2006121264/03;, заявл. 15.06.2006; опубл. 20.02.2008, Бюл. №5. 7 с.

87. Молотковая дробилка: пат. 74827 Рос. Федерация. №2008106596/22; заявл. 20.02.2008; опубл. 20.07.2008, Бюл. №20. 3 с.

88. Палкин Г.Г. Оборудование для производства комбикормовых смесей в хозяйствах//Зоотехния. 1991. № 1. С. 57-62.

89. Повх И.Л. Аэродинамика. Руководство к лабораторным работам. Л.: Машиностроение, 1955. 186 с.

90. Поединок В.Е. Комплексная механизация заготовки кормов. М.: Агро-промиздат, 1986. 223 с.

91. Полонский JI.C. Малогабаритные комбикормовые установки. Кишинев: Картья Молдовеняскэ, 1964.

92. Протокол № 06-14-2007 (5010033) от 04 октября 2007 года периодических испытаний дробилки КУ-203. Оричи: Киров, гос. зонал. машиноиспыт. станция, 2007. 40 с.

93. Резник Е.И. Кормоцехи на фермах. М.: Россельхозиздат, 1980. 181 с.

94. Результаты экспериментально-теоретических исследований рабочего процесса дробилки зерна / В.А.Сысуев и др. // Научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства: Сб. науч. тр. Подольск, 2002. Т. 11.4. 1.С. 190-198.

95. Роторная дробилка: пат. 2087195 Рос. Федерация. № 95111517/03; за-явл. 04.07.1995; опубл. 20.08.1997.

96. Рощин П.М. Исследование процесса измельчения сухой листостебель-ной массы дробилками агрегатов травяной муки: дис.канд. техн. наук. Ленинград-Пушкин, 1970. 189 с.

97. Рыжов С.В. Новые разработки по приготовлению комбикормов и кормовых смесей // Комбикорма, 2000. №7. С. 22-24.

98. Савиных П.А., Касьянов B.JI. Модернизированная дробилка с пневмо-загрузкой // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2008. Вып.8 С. 190-194.

99. Савиных П.А., Турубанов H.B., Касьянов B.JI. Модернизация дробилки зерна с дека-решетом // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. №11. С. 24-26.

100. Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высшая школа, 1971. С. 84-87.

101. Слободской машиностроительный завод Электронный ресурс. Электрон. текст, дан. и граф. [Слободской], [2008]. URL: http: // www.smsz.ru, Режим доступа свободный. Загл. с экрана (дата обращения 10.11.2008).

102. Совершенствование технических средств для механизации сельскохозяйственных процессов / В.А. Сысуев, A.B. Алёшкин и др. // Тр. НИИСХ Северо-Востока. Киров, 2000. 130 с.

103. Соловьёв И.К. Работа ситовой поверхности молотковой дробилки // Тракторы и сельхозмашины. 1963. №6.

104. Сыроватка В.И. Основные закономерности процесса измельчения зерна в молотковой дробилке // Электрификация сельского хозяйства: Труды ВИ-ЭСХ, М.: Колос, 1964. Т. 14. С. 89 145.

105. Сыроватка В.И. Производство комбикормов в колхозах и совхозах. М.: Россельхозиздат, 1976. 62 с.

106. Сыроватка В.И. Работа молотковых дробилок // Механизация и электрификация сельского хозяйства: Мат-лы науч. конф. молодых ученых. М.: Колос, 1968. Вып. 1. С. 202-211.

107. Сысуев В.А., Алёшкин A.B.-, Кормщиков А.Д. Методы механики в сельскохозяйственной технике. Киров: Кировская обл. тип., 1997. 218 с.

108. Сысуев В.А. Энергосберегающие машины и оборудование для кормо-приготовления: исследования методами планирования эксперимента. Киров: НИИСХС.-В., 1999. 294 с.

109. Сычугов Н.П. Установки пневматического транспортирования зерна. Киров: Вятская ГСХА, 2007. 206 с.

110. Сычугов Н.П. Вентиляторы. Киров: Вятка, 2000. 228 с.

111. Турубанов H.B. Повышение эффективности процесса дробления зерна в молотковой дробилке путём разделения дерти воздушным потоком: дис.канд. техн. наук. Киров, 2004. 183 с.

112. Устюгов С.Ю. Обоснование основных параметров и режимов работымалогабаритного комбикормового агрегата: дисканд. техн. наук. Киров,2005. 170 с.

113. Федоренко И.Я., Золотарев C.B. Переработка сельскохозяйственного сырья на малогабаритном оборудовании. Барнаул: Изд-во АГУ, 1998. 317 с.

114. Фирсов М.М. Планирование эксперимента при создании сельскохозяйственной техники. M.: МСХА, 1999. 129 с.

115. Халтурин B.C. Совершенствование конструктивных и технологических параметров молотковой дробилки зерна с колосниковой решеткой: дис.канд. техн. наук. Киров, 1998. 196 с.

116. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. 424 с.

117. Яблонский A.A. Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике. М.: Интеграл-Пресс, 2006. 384 с.