автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса измельчения стебельных кормов молотковой дробилкой с вихревыми камерами

На правах рукописи,

ЗЫКИН АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТЕБЕЛЬНЫХ КОРМОВ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКОЙ С ВИХРЕВЫМИ КАМЕРАМИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киров-2014

6 НОЯ 2014

005554207

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Баранов

Николай Федотович

Официальные оппоненты: Зпгапшин Булат Гусманович, доктор технических

наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный аграрный университет", заведующий кафедрой машин и оборудования в агробизнесе

Турубанов Николай Валентинович, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, старший научный сотрудник лаборатории механизации животноводства

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «12» декабря 2014 года в 12 часов 00 минут на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166 а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного научного учреждения Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого и на сайте: mvw.niish-sv.narod.ru.

Автореферат разослан «2.У» октября 2014 года.

Учёный секретарь диссертационного У совета, кандидат технических наук Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день одной из самых важных сфер жизнеобеспечения населения является агропромышленный комплекс. Особенно актуальна проблема обеспечение населения качественной продукцией животноводства. Развитие животноводческого комплекса с целью удовлетворения растущих потребностей в мясомолочных продуктах непосредственно связано с созданием прочной кормовой базы.

Для получения и сохранения высоких экономических показателей в животноводческой отрасли кормление животных должно осуществляться сбалансированными кормами, полностью удовлетворяющими потребности организма в необходимых для развития веществах.

В рационе крупного рогатого скота одним из основных компонентов являются стебельные корма, без которых невозможно полнорационное кормление. Однако из-за высокого содержания клетчатки они трудно перевариваются в пищеварительном тракте животных, а потери энергетической ценности достигают 70. ..80%. Повысить эффективность скармливания стебельных кормов можно различными способами, в том числе и измельчением до частиц заданного гранулометрического состава. Измельченные стебельные корма хорошо транспортируются, дозируются и гранулируются, что позволяет осуществлять полную механизацию технологических процессов их переработки, например, при получении комбикормов, большая часть которых производится непосредственно в хозяйствах.

Измельчение грубых кормов для последующего гранулирования осуществляется преимущественно молотковыми дробилками в одну или две стадии. В настоящее время отечественной промышленностью такие дробилки практически не производятся.

Опыт эксплуатации дробилок с пневматической загрузкой - выгрузкой материала, которые широко используются в малогабаритных комбикормовых агрегатах, выявил наряду с положительными показателями и ряд недостатков: высокая энергоемкость процесса измельчения, неравномерный гранулометрический состав готового продукта, значительная доля пылевидной фракции в измельченном материале. В связи с этим возникает необходимость в разработке конструкции позволяющей измельчать стебельные материалы.

Работа выполнена на кафедре эксплуатации и ремонта машинно-тракторного парка ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА в соответствии с планом научно - исследовательских работ по теме: «Совершенствование технологических процессов и повышение надёжности машин в животноводстве» (номер государственной регистрации 01.2.006 09913).

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности работы молотковой дробилки за счёт совершенствования конструктивно-технологической схемы и рабочих органов.

Задачи исследований:

1. Разработать молотковую дробилку для измельчения грубых кормов и других стебельных материалов, исследовать основные показатели её рабочего

процесса.

2. Получить аналитические зависимости движения частицы материала и воздушно - продуктового потока в вихревых камерах дробилки.

3. Исследовать влияние конструктивных и технологических факторов рта показатели рабочего процесса дробилки с вихревыми камерами.

4. Оптимизировать основные факторы и режимы работы дробилки, обеспечивающие получение качественного продукта с наименьшими энергозатратами при высокой пропускной способности.

5. По результатам производственных испытаний произвести технико-экономическую оценку использования дробилки с вихревыми камерами при измельчении стебельных материалов.

Объект исследования - молотковая дробилка с вихревыми камерами.

Научную новизну работы составляют

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с вихревыми камерами (патент РФ №2457034 на изобретение, патент РФ № 96343 на полезную модель);

- аналитические зависимости движения частицы материала и воздушно -продуктового потока в торцевых вихревых камерах дробилки;

- результаты экспериментальных исследований: конструктивно-технологические параметры вихревых камер; аэродинамические характеристики дробилки с вихревыми камерами; модели регрессии рабочего процесса, позволяющие определить оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки с вихревыми камерами при измельчении стебельных кормов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Разработана конструктивно-технологическая схема и на её основе изготовлен опытный образец молотковой дробилки с вихревыми камерами, применение которого позволит эффективно измельчать стебельные корма.

Результаты исследований использованы при создании молотковой дробилки для измельчения стебельных материалов ДКР - 4СИ, серийно выпускаемой предприятием ЗАО «Арзамасская Сельхозтехника - Регион» г.Арзамас Нижегородской области.

Дробилка используется в фермерских хозяйствах «СПК СХА им. Ленина» Кировской области и ООО «Коровкино» Самарской области.

Основные положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с вихревыми камерами;

- аналитические зависимости движения частицы материала и воздушно -продуктового потока в вихревой камере молотковой дробилки;

- результаты экспериментальных исследований дробилки;

- модели регрессии рабочего процесса дробилки, позволяющие определить оптимальные значения её конструктивно-технологических факторов;

- результаты производственных испытаний дробилки и её энергетическая эффективность.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждена актом производственных испытаний, проведенных в ЗАО «Арзамасская Сельхозтехника - Регион» г. Арзамас Нижегородской области.

Материалы диссертации используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Вятской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Вятской ГСХА (2008...2011гг.), ГНУ ВНИИМЖ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ (2010г.), Костромской ГСХА (2011г.), региональном молодежном научно-инновационном конкурсе "УМНИК" в Кировской области (2011г.), XII Всероссийской выставке "НТТМ-2012".

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, указанных в «Перечне...ВАК». Получен патент на изобретение и патент на полезную модель.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, списка использованной литературы из 165 наименований и приложений. Работа содержит 152 страницы, 37 рисунков, 16 таблиц и 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель исследований, обозначены научная новизна, практическая значимость результатов работы и их достоверность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - выполнен анализ конструкций существующих молотковых дробилок стебельных кормов. Исследованиями процесса измельчения грубых стебельных кормов в молотковых дробилках занимались В.Р. Алёшкин,

A.B. Алёшкин, А.П. Барбицкий, М.М. Гернет, В.П. Горячкин, В.А. Денисов,

B.А. Елисеев, Б.Г. Зиганшин, Ф.С. Кирпичников, Я.Н. Куприц, В.И. Ломов, И.В. Макаров, C.B. Мельников, C.B. Мерчалов, В.Г. Мохнаткин, A.B. Палкин, М.С. Поярков, Ф.Г. Плохов, П.М. Рощин, П.А. Савиных, A.A. Сундеев, В.И. Сыроватка, В.А. Сысуев, B.C. Халтурин, С.Д. Хусид, В.Н. Шулятьев и другие.

На основании проведенного обзора научных работ, патентного поиска, анализа схем и рабочего процесса существующих молотковых дробилок стебельных кормов, можно сделать следующие выводы:

- большинство типов молотковых дробилок, предназначенных для измельчения стебельных материалов, имеют следующие недостатки: высокая энергоемкость процесса измельчения, неравномерный гранулометрический состав готового продукта, высокая доля пылевидной фракции в измельчетшом материале.

Поэтому вопрос повышения эффективности рабочего процесса молотковых дробилок требует дальнейшего изучения и решения.

Во второй главе — проведены исследования по обоснованию конструктивных параметров дробилки. Рассмотрено движение воздушно — продуктового потока в вихревой камере и движение частицы по периферии вихревой

камеры.

Для определения основных характеристик вихревой камеры зададимся следующим принципом, сформулированным Г.Н. Абрамовичем: на выходе из вихревой камеры радиусом R, устанавливается такой режим течения, при котором для данного расхода Q полное давление рп будет минимальным. Тогда интеграл Бернулли будет иметь вид:

Р„ = ^ (u1~vLJ = const. (1)

Для описания движения воздушно - продуктового потока в вихревой камере требуется задание такого количества параметров, которое невозможно определить при эксперименте. Поэтому необходимо упрощение уравнений. Одним из таких упрощений будет одномерная модель движения потока в вихревой камере, в которой тангенциальная скорость зависит только от радиуса v = v(r).

При v = v(r) по уравнению Навье-Стокса следует, что радиальная скорость и = и(г), а осевая скорость ve согласно уравнению неразрывности

линейна по оси z. Поэтому ^- = 0. Примем упрощение, что движение

dz

воздушно — продуктового потока в вихревой камере подобно течению вязкой несжимаемой жидкости. Тогда уравнения движения осесимметричного течения воздушно — продуктового потока примут вид:

du v' 1 dp + d i 1 d(ru)\

и----= - - -!- + у—\--— ; (2)

dr г р дг dr йг )

1 = (3)

Г <1г (1г \Г (1г )'

ди> , Эи> / др , (дг- -ш 1 5нЛ

и-+ и>-=---^ + у -- +--; (4)

дг д: р 5: \дгг г дг) ^ '

+ (5)

г саг дг

Перейдем к безразмерным переменным:

чг .иг _ р (г V г г

иД 0,5ри; ' Ь

где ни V/ — значения скоростей на границе вихревой камеры при г=К1т Интегрирование уравнения неразрывности (4) в новых переменных дает:

r 2vFt

R;

-/=%,/(6)

и, ä, Q

где --- =--радиальное число Рейнольдса.

v 2jiLv

Тогда= ß , dy ' 7iR~

где Q - объёмная скорость потока.

После перехода к новым переменным, уравнения (1)-(3) примут вид:

Ь

V

(Г)1-Г(Г + -)-С р,

..... -р,/ч>'.

2у

f V <Р

(8) (9)

ду у у ■

где К] - параметр, характеризующий направление вращения

воздушно - продуктового потока.

Уравнение (9) после интегрирования по г в безразмерных переменных запишется "в виде:

II. ¿¡Л. А. /М и VI (/V ] А,,- (Ю)

(И) (12)

V У а ) а У

-^'- -(у';^

■ 1-0,5Р. ^1 '

У

У

- + Ьу+» с1у

где а = <р2- \ ' , Ь = —

1-0,5Р, 1-0

По выражениям (10), (11) и (12) можно определить скорости и, м% и V и давление р на периферии вихревой камеры в зависимости от величин скорости и давления на границе между дробильной камерой и входом в вихревую камеру.

Тогда решения уравнения (11) запишутся так:

(13)

<р= 1 •

V,

0,5^-1

— 2F я

(14)

(15)

Интегрируя <р' при граничном условии р(0) = 0 получаем уравнение для определения скорости воздушно-продуктового потока для области противотока:

¥

V, ) -м^у^ (16) 0,5Р4 +1

В соответствии с выражениями (14) и (16) определяем значение производной <р'] на границе входа в вихревую камеру:

?>',= 7----ч- О7)

Г / / I л «О - I Л «Г Л

У.

-1, у'Г'

0,5^ -1 0,5^ + 1

Численно решая уравнение (17) можно определить значения тангенциальной скорости во всем объеме вихревой камеры. Учитывая, что тангенциальная скорость у = <р/г, а значение среднего расчетного радиуса вихревой камеры найдется по уравнениюг = г/й,, то координата максимального значения тангенциальной скорости запишется в виде:

У,

0,5Г3 -1 + (р', В зоне противотока, 0 <у < у получаем:

(18)

_ _ т~у~ Р = Л--

71

<Р\

У„

4 т

- ( \

] + cos лу

>,+1

(л^-/"')' С»)

где Ъ =

7 У.

0,5^ + 1' = р( уи ,) - давление в точке V -

~Уи-

Для нахождения ри примем, что давление на выходе из камеры при : = I сравнивается с давлением в дробильной камере Р3. Поэтому Р(у„, Ь) = Ра. С учетом уравнений (18) и (19) запишем:

' I

Ри — Ра +4пг'

(20)

С учетом уравнений (19) и (20) получаем следующее выражение для определения величины среднего давления в вихревой камере:

Ь V , 4т , „ [ 1

Р\= Ро + 4пГ + 9>Х

. 4т 2 |

, 1 + — + а К,\ Я1 К Чл

1 +

V.

4а/ ,

--¡гЬ.

О-

(21)

0,5Ь -1X0.5^-1)_

Полученные решения для уравнений (2)-(5) зависят от параметра т, который, в свою очередь, зависит от тангенциальной скорости воздушно -продуктового потока. Для определения зависимости между радиусом вихревой камеры, размерами её входного сечения и углом входа воздушно -продуктового потока воспользуемся принципом максимума расхода. Получаем следующее уравнение:

РР^)

т

V.

8л/2| т3

я тп

V

Як — радиус камеры; /вх — площадь входного сечения; ¥ вх — входной угол; !// вх = 90° — вход по касательной;

\f/ вх = 0 — вход без закрутки.

По соотношениям (18), (21), (22) после обработки в программе Solid Works получены профили скоростей и давлений воздушно-продуктового потока в вихревой камере (рисунок 1).

а б

Рисунок 1 — Расчетные параметры воздушно-продуктового потока в вихревой камере; а) профили скоростей воздушно-продуктового потока; б) профили давлений воздушно-продуктового потока

Согласно расчетов скорость воздушно-продуктового потока изменяется в пределах от 16 (голубая область на рисунке 1, а) до 37 м/с (жёлтая область на рисунке 1, а). Давление в вихревой камере варьирует в пределах от 130 (зеленая область на рисунке 1, б) до 320 Па (красная область на рисунке 1, б).

Рассмотрим движение частицы массой т по стенке вихревой камеры (рисунок 2).

Примем допущение, что частица имеет форму шара.

В рассматриваемом случае уравнение движения частицы описывается известными уравнениями вида:

А)

т — = -/•■„,+в эт с5 • (23)

А

т — =М + в соь8 , (24)

где РТр - сила трения, действующая на частицу; С - сила тяжести, действующая на частицу;

8 - угол поворота частицы, движущейся по криволинейной образующей вихревой камеры;

Лг- реакция криволинейной образующей вихревой камеры. Реакция N определиться из выражения:

V2

№ = т--(25)

Я V /

где Л - радиус кривизны образующей вихревой камеры. Сила трения определится из следующего выражения:

РТР = --бсск^-/, (26)

где / - коэффициент трения материала о поверхность вихревой камеры.

'111

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на частицу, движущуюся по криволинейной образующей вихревой камеры: 1- корпус дробилки; 2 - крышка дробильной камеры; 3 - торцевая вихревая камера; 4 - молотковый ротор; 5 -решето

После преобразования уравнения (23), согласно теории Ф.Г. Зуева, перейдем к новой переменной - координате 3:

.2

с1 V v"

т — = -т— / + ■ { + Охтд.

(11 Я 7

Тогда уравнение (27) примет вид:

с1 У = с/ 8

Интегрируя выражение (28), получим

—г = -/ • V +-(/ ■ сое 8 + вт д )

ад V

1 + 4/

1) ■ сое д + 3/эт 51+ С

(27)

(28) (29)

Постоянная интегрирования С определится из начальных условий ¿ = 0; у = г„.

C = vt-2g■R

(2Г-1) 1 + 4/2

Тогда скорость частицы, движущейся по криволинейной поверхности вихревой камеры, будет равна:

у. | 2 гЯ

1 + 4/

(2/2 - 1) ■ сое 8 + Ъ/ът 6 -

(2/2-1)

(30)

Из полученного выражения видно, что скорость частицы в вихревой

камере зависит от её местоположения, определяемого углом <5, радиуса Л кривизны образующей вихревой камеры и скорости v0 входа частицы в вихревую камеру (рисунок 3).

v, м/с

1 • 90 100 ПО 120 130 140 150 160 5,град. 180 Рисунок 3 - Графики скорости движения частицы в зависимости от величины скорости VI, воздушно-продуктового потока в дробильной камере и угла поворота 3

Можно предположить, что камеры, образующие вихрь с максимальной скоростью на периферии, а также направляющие его навстречу набегающему потоку, будут наиболее эффективны. Зная, что скорость воздушно-продуктового потока в области вихревой камеры составляет порядка 35...40% от линейной скорости молотков, можно по формуле (30) определить скорость частицы, движущейся по криволинейной образующей вихревой камеры.

При расчетах коэффициент трения принимался равным/=0,15. Анализ полученного уравнения показал, что для рассматриваемого случая часть выражения, находящуюся в квадратных скобках, можно заменить на рассчитанный нами методом наложения графиков эмпирический коэффициент к=/(д), который упрощает расчёты и даёт 95% совпадение результатов при заданных условиях и ограничениях [7].

к = 1,59 + 0,041с> - 0,005<52. (31)

Окончательно получаем эмпирическую зависимость скорости частицы на выходе из вихревой камеры.

V = ^¿з- + (1,59 + 0.04М - 0,005<У2). (32)

В третьей главе - изложены программа и методика исследований

рабочего процесса молотковой дробилки с вихревыми камерами, приводится описание измерительной и регистрирующей аппаратуры, дана методика обработки экспериментальных данных. Программа экспериментальных исследований включала несколько этапов и состояла из предварительных однофакторных, многофакторных активных и активно-пассивных экспериментов.

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами и общепринятыми методиками испытаний машин.

В четвертой главе - содержатся результаты работы по совершенствованию конструкции молотковой дробилки.

Была предложена конструкция дробилки, содержащей торцевые и периферийную вихревые камеры, с тангенциальной загрузкой материала (рисунки 4 и 5). На данное решение получены патент на полезную модель №96343 РФ и патент на изобретение №2457034 РФ.

4 - Схема экспериментальной дробилки с вихревыми камерами: 1 -

молотковый ротор; 2 - дробильная камера; 3 - торцевые вихревые камеры; 4 -

решето; 5 - вентилятор; 6 - выходной патрубок; 7 - загрузочная горловина; 8 - периферийная вихревая камера

Рисунок 5 - Общий вид вихревых камер и экспериментальной установки

С целью определения влияния торцевых вихревых камер на воздушный поток в дробильной камере проведены три этапа исследований. В качестве критериев оптимизации выбраны показатели радиальной и тангенциальной составляющих суммарной скорости воздушного потока в дробильной камере. От данных параметров зависит степень измельчения продукта, которую можно увеличить за счет уменьшения тангенциальной скорости и пропускная способность дробилки, которая возрастает при увеличении радиальной скорости.

В первой серии опытов испытывалась дробилка с торцевыми вихревыми камерами в форме полуокружности (рисунок 6, а). Факторами служили: х, - количество вихревых камер: 2, 4 и 6 штук, х2 - радиус вихревой камеры: 50, 65, 80 мм. По результатам экспериментов получены следующие модели регрессии:

У1 = 3,28 + 0,45 -х, + 0,29-х,; (33)

У2 = 21,4 - 0,38-*; - 0,19х3+ 0,24-л/. (34)

По полученным данным можно сделать следующий вывод: для увеличения радиальной составляющей суммарной скорости, которая непосредственным образом влияет на эвакуацию готового продукта из дробильной камеры, необходимо установить максимальное количество вихревых камер наибольшего размера, ограничиваясь лишь геометрическим размерами самой дробилки.

Во второй серии опытов испытывалась дробилка с торцевыми вихревыми камерами в форме косой строфоиды (рисунок 6, б).

форме

Факторами служили: х, - количество вихревых камер: 4 и 6 штук, х, -угол наклона линии построения: 10 и 30° и х3 - длина основания вихревой камеры: 100 и 140 мм. По результатам экспериментов получены следующие модели регрессии:

У, = 4,03 + 0Д6-х/+ 0,33 х2 + 0,35-ад (35)

а) б)

Рисунок 6 - Формы торцевых вихревых камер: а) с образующей в полуокружности; б) с образующей в форме косой строфоиды

У, = 20,4] - 0,21'X/ - 0,33 хг - 0,59'х3. (36)

Анализ полученных результатов показал, что радиальная скорость возросла на 22,9, а тангенциальная уменьшилась на 6,3%, по сравнению с результатами предыдущего эксперимента, что позволяет сделать вывод о преимуществе торцевых вихревых камер в форме косой строфоиды над вихревыми камерами в форме полуокружности.

В третьей серии опытов испытывалась дробилка с торцевыми вихревыми камерами в формее косой строфоиды. Факторами служили: XI - ширина основания вихревой камеры равная 40, 60 и 80 мм; х2 - количество вихревых камер: 4, 6 и 8 штук. По результатам экспериментов получены адекватные модели регрессии.

У, = 4,74 + 0,51 -X] + 0,61 х2; (37)

У2 = 19,29 - 0,42"*; - 0,45'х,- (38)

Анализ полученных данных показал, что максимальные значения, равные 18,42 тангенциальной и 5,74 м/с радиальная скорости достигнуты при 8 вихревых камерах с шириной основания 80 мм, что согласуется с результатами предыдущих опытов, но количественно превосходит их.

Исследования рабочего процесса при измельчении стебельных кормов проводились на базе ЗАО «Арзамасская Сельхозтехника - Регион» г. Арзамас Нижегородской области на материале с различной влажностью (от 10,5 до 34,9%).

Влияние на показатели рабочего процесса вихревых камер в форме полуокружности исследовалось планированием эксперимента 24. В качестве факторов выбраны: дс! - количество торцевых вихревых камер (2 и 4 штуки), х2 -радиус вихревых камер (50 и 80 мм), х3 - диаметр отверстий решета (6 и 8 мм), х4 - подача материала (300 и 600 кг/ч). В качестве критериев оптимизации

выбраны следующие параметры: У] - средневзвешенный размер, мм;

У\ - степень измельчения.

По результатам экспериментов получены следующие уравнения регрессии:

У, = 5,25 + 0,10-х, + 0,24-х2 + 0,09-х3 + 0,03-х,; (39)

У2 = 8,03 - 0,15-х/ - 0,37-х, - 0,14-х} - 0,05-х,. (40)

Анализ полученных результатов показал, что максимальная пропускная способность дробилки возрастает с увеличением количества вихревых камер и их размера. При проведении опытов мощность, потребляемая электродвигателем дробилки не превосходила установленную, с учетом допустимой перегрузки.

На следующем этапе экспериментов было исследовано влияние вихревой камеры, находящейся на периферии дробильной камеры в зоне загрузки

материала (рисунок 7).

В ходе экспериментов была реализована матрица плана эксперимента 22. Исследовалось влияние на рабочий процесс дробилки таких качественных факторов, как местоположения вихревой камеры - Х\ (выше и ниже загрузочного патрубка по ходу движения воздушно-продуктового потока) и её формы — х2 (камера разворачивалась на 180° относительно движения воздушно-продуктового потока). Эксперименты проводились на материале со средней влажностью 10,5%. В качестве критериев оптимизации выбраны следующие

параметры: Г, - средневзвешенный размер, мм; У, - степень измельчения;

У1 - удельная энергоёмкость, кВтч/(т-ед.ст.изм.).

7, = 4,51 - 0,15-х, - 0,03-х2+ 0,02-х гх у, (41)

У, = 8,96 + 0,31 -х, + 0,1 -х, - 0,1 -хгх2, (42)

У3 - 1,51 - 0,1-Ху - 0,04 X2 - 0,01-хгх2. (43)

Анализ результатов показал, что при установке периферийной вихревой камеры ниже входного патрубка (рисунок 7, в и г) средневзвешенный размер частиц измельчённого продукта и удельная энергоёмкость процесса

Рисунок 7 - Молотковая дробилка с периферийной вихревой камерой:

а) периферийная вихревая камера, находящаяся выше загрузочного патрубка, развернутая большим радиусом кривизны навстречу движущемуся материалу; б) периферийная вихревая камера, находящаяся выше загрузочного патрубка, развернутая меньшим радиусом кривизны навстречу движущемуся материалу; в) периферийная вихревая камера, находящаяся ниже загрузочного патрубка, развернутая большим радиусом кривизны навстречу движущемуся материалу; г) периферийная вихревая камера, находящаяся ниже загрузочного патрубка, развернутая меньшим радиусом кривизны навстречу движущемуся материалу

На следующем этапе исследований была проведена серия опытов по изучению совместного влияния на показатели рабочего процесса дробилки периферийной и торцевых вихревых камер, выполненных в форме косой строфоиды. В ходе исследований была реализована матрица плана эксперимента 24. Изучалось влияние следующих факторов: количество торцевых вихревых камер -х, (4 и 6 штук), длина основания вихревой камеры -х2 (100 и 140 мм), угол наклона линии построения косой строфоиды, который

влияет на высоту камеры - х3 {10 и 30°) и положение периферийной вихревой камеры - х4 ((- 1) - ниже входного патрубка по ходу движения материала и (+ 1) - выше входного патрубка по ходу движения материала). В качестве критериев оптимизации выбраны: У, - средневзвешенный размер, мм;

У - степень измельчения; У - пропускная способность, кг/ч; У -удельная энергоёмкость, кВт-ч/(т-ед.ст.изм.).

По результатам экспериментов получены модели регрессии:

У, = 4,33 + 0,03-х, + 0,10-х2 + 0,02-х3- 0,14-х/, (44)

У, = 9,34 - 0,10-лг/ - 0,10-х2 - 0,04-^+0,32-^; (45)

= 1422,94 + 6,\0-х, + 11,81-х2 + 6,81-х, + 51,56-х/, (46)

У; =1,13- 0,03 а, - 0,02-х? - 0,02-^. (47)

При совместной работе вихревых камер действуют те же закономерности, что установлены в предыдущих опытах. То есть с ростом количества и геометрических размеров вихревых камер средневзвешенный размер частиц измельчённого материала увеличивается, а удельная энергоёмкость снижается.

Рисунок 8 - Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие зависимость удельных энергозатрат У (-) и средневзвешенного размера

частиц готового продукта У, (--)от: длины образующей торцевой вихревой

камеры х, и средневзвешенного размера частиц исходного материала х3 при

х4 = 0 и х2 = 0

В ходе следующего этапа экспериментов, имеющего целью оптимизировать показатели рабочего процесса дробилки, была реализована матрица плана эксперимента З4"1. По результатам эксперимента получены двумерное сечение поверхности отклика (рисунок 8) и модели регрессии процесса измельчения. Исследовалось влияние следующих факторов на

рабочий процесс дробилки: длина образующей торцевой вихревой камеры - X] (40, 60 и 80м); форма рабочей поверхности молотка (молоток с одной, двумя и тремя гранями) - х2; длина частнц предварительно измельченного материала, поступающего в дробильную камеру - х3 (средняя длина частиц составляла 20, 25 и 30 мм). Длину частиц подаваемого материала варьировали при помощи изменения длины контрмолотков, установленных в дробильной камере измельчителя рулонов и их сочетанием; количество предварительно измельченного материала, поступающего в дробильную камеру - х, (400, 600 и 800 кг/ч). В качестве критериев оптимизации выбраны: средневзвешенный

размер - Уп степень измельчения - Г, и удельная энергоёмкость процесса

измельчения - К,.

У, = 4,22-0,40-х, + 1,10-х,-0,28-^+0,17-х," -0,8 х{ +0,15 х}\ (48) У, = 6,14- 0,63-х/ - 0,57-х, -0,17-х, - 0,22-х,2 - 0,84- х{ -0,24-х,-х,; (49)

У3 = 3,26 + 0,51-х5-1,78-х, - 0,2\-х,2- 0,28хр-х>+ 0,42х/. (50)

Проанализировав зависимость удельных энергозатрат на единицу степени измельчения У, и содержания в готовом продукте частиц со

средневзвешенным размером менее 4 мм У, от исследуемых факторов, был сделан вывод, что минимальные удельные энергозатраты получены при подаче материала 600 кг/ч, средневзвешенном размере частиц исходного материала 22 мм и длине образующей торцевой вихревой камеры 55 мм.

В пятой главе приведен анализ эффективности функционирования модернизированной молотковой дробилки для измельчения стебельных кормов.

Рассчитанный годовой экономический эффект от применения молотковой дробилки для измельчения стебельных кормов составил 62944 рубля.

Энергетическая эффективность молотковой дробилки для измельчения грубых стебельных кормов по предлагаемой конструктивно - технологической схеме, в сравнении с дробилкой КДУ-2, оцененная по коэффициенту интенсификации составила 30%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана дробилка для измельчення грубых стебельных кормов, содержащая дробильную камеру, образованную решетом и торцевыми стенками, тангенциально расположенные входную и выходную горловины, молотковый ротор и вихревые камеры, установленные на торцевой и периферийных стенках дробильной камеры (патент па полезную модель № 96343 РФ и патент на изобретение № 2457034 РФ).

2. Теоретическими исследованиями вихревых камер получены зависимости (18), (21), (22), (32), которые позволяют по известному давлению и скорости движения воздушно-продуктового потока в вихревой камере подобрать радиус, площадь входного сечения и угол наклона камеры. Таким образом, полученные соотношения в первом приближении позволяют подобрать конструктивные параметры вихревой камеры, которые увеличивают

скорость воздействия рабочих органов дробилки на измельчаемый материал в зоне действия вихревых камер.

3. Исследовано влияние конструктивных и технологических факторов на показатели рабочего процесса дробилки с вихревыми камерами и оценена её энергетическая эффективность. При влажности исходного продукта 14,5% максимальная пропускная способность составила до 1,34 т/ч, а удельная энергоёмкость процесса измельчения 2,88 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.).

4. Определены количество и оптимальные конструктивные параметры вихревых камер, обеспечивающие получение качественного продукта с наименьшими энергозатратами при высокой пропускной способности. Дробилка должна содержать 6 вихревых камер, установленных на торцевой поверхности дробильной камеры, при этом образующая вихревой камеры должна иметь форму косой строфоиды с углом наклона линии построения 20° (длина основания вихревой камеры равна 125 мм, ширина вихревой камеры 80 мм); периферийную вихревую камеру, расположенную ниже входного патрубка относительно движения измельчаемого материала и примыкающую к входному патрубку, при этом образующая вихревой камеры должна иметь форму косой строфоиды с углом наклона линии построения 35° (длина основания вихревой камеры равна 160 мм, ширина вихревой камеры равна ширине дробильной камеры).

5. Энергетическая эффективность молотковой дробилки для измельчения грубых стебельчатых кормов по предлагаемой конструктивно - технологической схеме, в сравнении с дробилкой КДУ-2, оцененная по коэффициенту интенсификации составила 30%, а годовой экономический эффект - 62944 рубля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ:

1. Баранов, Н.Ф. Исследование и оптимизация рабочего процесса молотковой дробилки грубых кормов/ Н.Ф. Баранов, A.A. Зыкин //Научный журнал Северо-Восточного регионального научного центра Россельхозакадемии «Аграрная наука Евро-Северо-Востока» - N 3. - Киров - 2011г. - С. 56-59.

2. Зыкин, А. А. Модернизация дробилки ДКР - 3/ Зыкин А. А. // журнал «Сельский механизатор». - 2011. - т.№ 9. - С. 28 - 29.

3. Баранов, Н.Ф. Форма вихревых камер и скорость воздушного потока в дробильной камере молотковой дробилки / Н.Ф. Баранов, А.А.Зыкин // Тракторы и сельхозмашины. 2012. - № 9. - С. 39-41.

Патенты:

4. Пат. 2457034 Российская Федерация, МПК В02С13/12. Молотковая дробилка/ Н.Ф. Баранов, А.Г. Сергеев, A.A. Зыкин - №2010149351/13, заявл. 02.12.2010; опубл. 27.07.2012; Бюл. № 21.

5. Пат. 96343 Российская Федерация, МПК В02С13/12. Молотковая дробилка/ Н.Ф. Баранов, B.C. Фуфачев, A.A. Зыкин - № 2009115383/22, заявл. 22.04.2009; опубл. 27.07.2010; Бюл. № 21.

Статьи в других изданиях:

6. Баранов, Н.Ф. Исследование движения воздушно - продуктового потока в вихревой камере молотковой дробилки/ Н.Ф. Баранов, A.A. Зыкин

//Материалы Международной науч.-практ. конф. "Наука - Технология -Ресурсосбережение": Сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА. - 2013. - Вып. 14.-С. 17-23.

7. Зыкин, A.A. Исследование воздушного режима дробилки ДКР-3 с торцевыми вихревыми камерами/ A.A. Зыкин //Материалы Международной науч.-практ. конф. "Наука - Технология - Ресурсосбережение": Сб. науч. тр. -Киров: Вятская ГСХА.-2010.-Вып. 10.-С. 127-129.

8. Зыкин, A.A. Исследование экспериментальной дробилки грубых кормов с модернизированной дробильной камерой/ A.A. Зыкин //Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: сборник статей 62-й международной науч.-практ. конф.Т. II. - Кострома: Костромская ГСХА. -2011.-С. 59-62.

9. Зыкин A.A. Обзор исследований параметров работы молотковых дробилок/ A.A. Зыкин //Науке нового века - знания молодых: Сборник статей 9-й научной конференции аспирантов и соискателей: в 2 ч. - Киров: Вятская ГСХА. - 2009. - Ч.2.- С 23-26.

Ю.Зыкин, A.A. Обзор конструкций молотковых дробилок/ A.A. Зыкин// Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Материалы Международной науч.-практ. конф. "Наука -Технология - Ресурсосбережение": Сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2009.-Вып. 9.-С. 124-126. П.Зыкин, А. А. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки с вихревыми камерами/ A.A. Зыкин //Машинно-технологическое обеспечение животноводства - проблемы эффективности и качества: сборник научных трудов. Т. 21; Ч. 3 / Российская академия сельскохозяйственных наук, Государственное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства" (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии). -Подольск. - 2010. - С .121-127. 12.Фуфачев, B.C. Исследование аэродинамических характеристик дробилки ДКР - 3 с усовершенствованными направляющими воздушных потоков внутри дробильной камеры/ B.C. Фуфачев, A.A. Зыкин // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып.ХН / Map. гос. унт. Йошкар-Ола. - 2010. - С. 235-237.

Условные обозначения г - радиус вихревого потока, м; v - тангенциальная скорость воздушно — продуктового потока в вихревой камере, м/с; и - радиальная скорость воздушно - продуктового потока в вихревой камере, м/с; w - осевая скорость воздушно — продуктового потока в вихревой камере, м/с; V/ - тангенциальная скорость воздушно - продуктового потока на границе вихревой камеры, м/с; и/ - радиальная скорость воздушно - продуктового потока на границе вихревой камеры, м/с; Ri - радиус выхода из вихревой камеры, м; Ri - радиус входа в вихревую камеру, м; R - радиус кривизны образующей вихревой камеры, м; L — ширина вихревой камеры, м; Q - объёмная скорость потока, м/с;

П л,

К, - степень закрутки потока; Р — среднее давление в вихревой камере, Па; р - давление в вихревой камере, Па; <р - значение скорости относительной циркуляции воздушно продуктового потока в вихревой камере; т - параметр, характеризующий степень закрутки потока в центральной области камеры

Заказ № 263_. Подписано к печати 07.10.2014 г.

Формат 60x90'/] 6. Объем-1 пл. Тираж 100 экз. Типография Вятской ГСХА, 610017, Киров, Октябрьский проспект, 133