автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности рабочего процесса ротора-вентилятора молотковой дробилки зерна закрытого типа

На правах рую

НЕЧАЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РОТОРА-ВЕНТИЛЯТОРА МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА ЗАКРЫТОГО ТИПА

Специальность 05.20,01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ 5 Д£К

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005542158

Киров-2013

005542158

Работа выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» на кафедре «Тракторы и автомобили»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Савиных Петр Алексеевич

Горбунов Борис Иванович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой механизации животноводства и электрификации сельского хозяйства;

Филинков Андрей Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры технологического и энергетического оборудования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный университет»

Защита состоится 25 декабря 2013 года в 12 часов 30 минут на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 006.048.01 при 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 Государственного научного учреждения Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук.

Автореферат разослан 22. ноября 2013 г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главными задачами, стоящими перед сельскохозяйственным производством согласно Госпрограммы развития сельского хозяйства на 2013...2020 годы, являются обеспечение продовольственной безопасности страны и повышение конкурентоспособности российской сельскохозпродукции на внутреннем и внешнем рынках в рамках вступления России в ВТО. Важное место в реализации данных проблем отводится повышению производительности труда на основе применения передовых технологий и высокоэффективных систем машин и оборудования в растениеводстве и животноводстве.

Одним из самых трудоемких процессов животноводства является кор-моприготовление, а именно: операции измельчения кормов, скармливаемых животным. Существенную долю в структуре кормовых рационов занимают концкорма, поэтому важную роль играет технология подготовки их скармливанию.

В настоящее время наибольшее распространение получила технология производства комбикормов непосредственно в хозяйствах. Однако опыт эксплуатации дробилок комбикормовых агрегатов с пневматической загрузкой и выгрузкой исходных компонентов комбикорма выявил их существенные недостатки. Это, прежде всего, низкий КПД воздушного потока, невысокая пропускная способность и недостаточное качество получаемого продукта. В связи с этим у сельхозпроизводителя возникает множество проблем: снижение объемов производства и качества продукции, повышение затрат труда на производство кормов, снижение проективности животных, уменьшение рентабельности.

Несмотря на широкое распространение молотковых дробилок с пневматической загрузкой материала, их рабочий процесс недостаточно изучен, что обуславливает необходимость проведения исследований в данном направлении.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - снижение энергозатрат рабочего процесса дробилки зерна закрытого типа путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротора-вентилятора.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему и экспериментальную установку молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором;

- определить влияние геометрических параметров рабочего колеса вентилятора дробилки на его напорные характеристики;

- провести теоретические исследования процесса движения зерновки по лопатке ротора-вентилятора и в межлопаточном пространстве;

- получить регрессионные модели процесса функционирования дробилки и оптимизировать ее основные конструктивно-технологические параметры по критериям эффективности;

- определить экономическую и энергетическую эффективность дробилки зерна по результатам производственных испытаний.

Научную новизну работы составляют:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с ротором-вентилятором, позволяющая производить готовый продукт с удовлетворяющим зоотехническим требованиям качеством при минимальных энергозатратах (патент № 129843 РФ на полезную модель);

- модели регрессии рабочего процесса молотковой дробилки с ротором-вентилятором, позволяющие определить ее оптимальные конструктивно-технологические параметры.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получены аналитические зависимости по определению влияния геометрических параметров рабочего колеса ротора-вентилятора на его напорные характеристики.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснована конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором, позволяющей повысить качество готового продукта при достаточно низких показателях металло- и энергоемкости.

Опытный образец дробилки зерна с ротором-вентилятором внедрен в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области.

Материалы исследований переданы Министерству промышленности и инноваций Нижегородской области в ходе реализации проекта «Дробилка для фуражного зерна с ротором-вентилятором» (2012 г.), а также ООО «Иннотех» в течение календарного срока выполнения работ по программе «УМНИК» г. Нижний Новгород (2012 ... 2013 гг.).

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором;

- уточненные теоретические напорные характеристики колеса вентилятора дробилки, учитывающие сопротивление межлопаточных каналов;

- результаты теоретических исследований процессов движения частицы по лопатке ротора-вентилятора и в межлопаточном пространстве;

- результаты экспериментальных исследований рабочего процесса молотковой дробилки с ротором-вентилятором и её оптимальные конструктивно-технологические параметры;

- результаты производственных испытаний дробилки и их экономическая эффективность.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором, а также положительными результатами практического внедрения.

Основные положения диссертационной работы доложены на Всероссийской студенческой научной конференции в Вятской ГСХА (г. Киров, 2009 г.); на Международных научно-практических конференциях в Нижегородском ГИЭИ (г. Кня-гинино, 2011...2012 гг.), в ВНИИМЖ (г. Подольск, 2012... 2013 гг.), в Марийском ГУ (г. Йошкар-Ола, 2013 г.); на Международной научной конференции в Институте технологических и естественных наук (г. Варшава, 2013 г.); на XVII и ХУШ Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 2012... 2013 гг.); на V Российском Форуме «Российским инновациям -российский капитал» X Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Нижний Новгород, 2012 г.).

По теме диссертации опубликовано 13 научных статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Получен один патент РФ на полезную модель.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель исследований, представлены научная новизна, практическая значимость работы, реализация результатов исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы и задачи исследования» представлены основные направления совершенствования молотковых дробилок зерна, проанализированы их существующие конструкции, а также приведены основные требования, предъявляемые к ним.

Изучением процесса измельчения кормов в молотковых дробилках занимались В. П. Горячкин, С. В. Мельников, Я. Н, Куприц, С. Д. Хусид, В, И. Сыро-ватка, В. А, Сысуев, В. Р. Алёшкин, Н. Ф. Баранов, Ф. С. Кирпичников, Н. Ф. Игнатьевский, Б. Г. Зиганшин и др. На основании анализа научных публикаций доработана классификация параметров, влияющих на рабочий процесс молотковых дробилок.

Во втором разделе «Теоретические исследования рабочего процесса дробилки зерна» представлены аналитические выражения по определению влияния геометрических параметров рабочего колеса ротора-вентилятора на напорные характеристики дробилки зерна. Рассмотрено движение частицы по лопатке ротора-вентилятора и при сходе с нее.

Движение воздуха в межлопаточных пространствах рабочего колеса вентилятора рассматриваем как течение воздуха в каналах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема движения воздуха в рабочем колесе ротора-вентилятора

Векторы переносной V и абсолютной С скоростей образуют угол «, вектор относительной II скорости с обратным направлением окружной V скорости - другой характерный угол Д определяющий конфигурацию лопатки.

Общее выражение теоретического напора, создаваемого рабочим колесом, представим в зависимости от окружных V, относительных У и абсолютных С скоростей:

Р Vi - Vi С\ - С\ U} - U:

рв 2 2 2 где Р — теоретическое давление, развиваемое рабочим колесом центробежного вентилятора с бесконечным числом лопаток; рв - плотность воздуха, кг/м3.

Из параллелограмма скоростей (рисунок 1) по теореме косинусов определяем значения относительных скоростей Ux и U2. После подстановки в уравнение (1) получим:

Р

— = -Vi • ■ cos<*! + V2 • C2 • cosa2. (2)

Рв

Пренебрегая сжимаемостью потока воздуха в рабочем колесе, можно записать Q = Qi = Qz (уравнение неразрывности потока).

Выразим радиальные составляющие абсолютной скорости: Q Q

Crl ~ 2-7г-Ti-V Сг2 ~ 2-я-Г2-Ь2' (3)

где г1( г2 — радиусы размещения частицы воздушного потока, м;

Ьг, b2 — соответственно ширина лопаток на входном и выходном сечении рабочего колеса, м.

Согласно параллелограмму скоростей (рисунок 1) имеем:

С1! • cos a1 = V1-Crl-ctgPu (4)

С2 ■ cos a2 = V2- Cr2 • ctgf}2. (5)

Подставив значение Crll Cr2 в уравнения (4), (5), получим:

ct■ cosa, = crl = vt -■ Q; (6)

C2-cosa2 = Cz2 = V2- 'У1*2 Q, (7)

2 ■ к • r2 • b2

где Ст1, Ст2 — соответственно касательные составляющие абсолютных скоростей Съ С2, м/с.

Выражения (6), (7) подставим в уравнение (2) и, учитывая, что V = ш- г, получим:

Р г г г 2л ш íct9Pí ctgPA п

7ГШ ^-г})+ТИЛ——ьГ)• е- (8)

Последнее уравнение можно представить как уравнение прямой линии:

Р = А 4- В • Q, (9)

где Л и Я —постоянные коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей колеса и его угловой скорости со.

При изменении расхода Q изменяются Ст1, Ст2 и величина гидравлических потерь, обусловленная трением о стенки в межлопаточных каналах и образованием местных вихрей, поэтому в отличие от идеальной характеристики, реальная имеет криволинейный вид и описывается уравнением параболы:

P = a + b-Q + c-Q2, (10)

где а, b и с — коэффициенты, полученные в результате аппроксимации.

Суммарные падения давления в межлопаточных каналах аппроксимируем выражением:

£ДР = h0 + fci1Q + к2 ■ Qz, (11)

где h0, kt и k2 — коэффициенты, полученные опытным путем.

Данные коэффициенты, определенные для одного угла установки лопаток, можно в первом приближении использовать для оценки характеристик вентилятора и при других углах их установки.

Тогда уравнение (9) с учетом (10), (11) можно представить в виде:

Р = (Л - h„) + (В - fcj • Q - к2 ■ Q2. (12)

С учетом коэффициентов а, b и с уравнения (10) определим неизвестные fei и к2:

'о-

(а = А — hi

о<

hQ =А- а; кг = В - Ь; к2 = -с.

(13)

Ъ = В - к1; ■■ с = —кг.

Проведенные исследования позволяют сделать прогноз напорной характеристики ротора-вентилятора.

Для случая, когда угловая скорость лопаток ротора-вентилятора со = 314 радх"1, радиусы г, = 0,01 миг2 = 0,13 м, угол/?1 = 1°,/?2 = 15°, ширина лопаток Ь\ = 34 мм и Ь2 = 50 мм (рисунок 2, а) по выражению (13) определены коэффициенты: Н0 = -172,33, = 3819,71 и к2 = 12662.

Используя выражение (12), построены расчетные характеристики изменения давления от расхода воздуха ротора-вентилятора для различных углов /?2 и радиусов кривизны лопаток/) (рисунок 2).

2000 ■

isoo •

1600 :

1-150 •

izoo ; юоо 800

-ч

\

0.1

о.: Q.Mf"c о.з

►-опышл*

о.: Q. м3 с о,з

спи тнд«

а б

Рисунок 2 - Характеристики ротора-вентилятора Ру = /(С?) с различными лопатками: а - загнутые назад с соотношением длин Ь/ / Ь= 1/8 при = 34 мм, й2 = 50 мм соответственно при /31 = 1°, /?2 = 15°; б - криволинейные с радиусом кривизны/) = 45 мм при Ъх = 34 мм, Ь2 = 50 мм,/?г = 1°, /?2 = 11°

Анализируя графики, можно отметить следующее: опытная характеристика для случая с криволинейными лопатками (рисунок 2, б) располагается выше расчетной, т.е. выбранный радиус кривизны р обеспечивает безударное течение воздушного потока, описывающее профиль лопатки, и минимальное падение давления порядка 20 %.

Следующим этапом расчётов являлся процесс движения частицы материала по лопатке ротора-вентилятора, который описывается дифференциальным уравнением относительного движения с учётом действующих на неё сил (рисунок 3):

ттЩ=т-д + Щ, (14)

где т — масса частицы, кг;

1УГ - относительное ускорение частицы дерти, м/с2;

тд - сила тяжести, действующая на частицу дерти: д - ускорение свободного падения, м/с2;

N — сила нормальной реакции поверхности лопатки;

Ртр ~ f' М- сила трения частицы о лопатку: / - коэффициент трения скольжения;

Фк = — 2 • т ■ со х гу - кориолисова сила инерции: ш = ф - угловая скорость ротора-вентилятора, рад/с;

относительная скорость частицы по лопатке, равная ф • р, где р - радиус кривизны лопатки, м;

Фч = т - и)2 ■ гн = т.' со2 • (гА + р) - переносная сила инерции:

= ?А+ р- вектор, по длине равный расстоянию от центра вращения ротора-вентилятора до частицы, м.

Запишем уравнение (14) на подвижные оси тип: ( тп-ф -p = -m-g- cosßn - Fmp+ ФЦТ;

{ m ■ ф2 ■ р = m • д • sin/?n - N + Фк + Фцп, где ßn = со • t + <р - угол изменения поожения частицы за время t, град;

Фцх, Фцп - проекции переносной силы инерции соответственно на касательную и нормаль, Н.

Касательная и нормальная составляющие силы инерции определяются по выражениям:

Фцт = m • со2 ■ rA • cos cp; (16)

Фцп = — m • <úz • rA - sirup — m • ш2 • p. (17)

Подставив полученные выражения (16), (17) в систему уравнений (15) определим угловое ускорение ф:

ф = - 9" cos(íot + ср) - — ■ f + со2 ■ гА ■ cos (18)

N

где — = - ф2р + д ■ sin(ídt + <¡p) + 2 ф • р • со - со2 ■ гА ■ sin<¡¡> - со2 • р. (19)

Расчет параметров движения частицы по лопатке проводили на персональном компьютере с помощью программы на языке С #, написанном в среде «Visual Studio 2008» с интервалом времени At = 0,0001 с. Для сравнения радиус кривизны лопатки изменяли в пределах р = 50±10 мм, угол ср = 0±10°, исходя из геометрии лопатки, при прочих равных условиях: угловой скорости со = 314 с"1 и коэффициенте трения/=0,1.

Проведенные исследования показали, что при взаимодействии с выпуклой стороной лопатки частица скользит только до приобретения переносной скорости ее движения, а затем происходит отрыв под действием центробежной силы, что проявляется в отрицательном значении силы нормальной реакции N. В остальных случаях движение со скольжением возможно только по вогнутой стороне лопатки.

Далее частица массой m отрывается от лопатки и движется в межлопаточном канале. Примем следующие обозначения: угол между осью 0х и нормалью п равен е, углы между нормалью и и векторами скорости воздуха 5в, абсолютной скоростью частицы В0 и силой аэродинамического сопротивления Rc равны соответственно iff, у ив (рисунок 4).

Запишем для рассматриваемого случая второй закон Ньютона в проекциях на нормаль и и касательную т:

£п dt2

d2T (2°)

m —¡y = -Rc sin в - mg cos e.

m = -Rc cos# + mg sin s;

dt2

Рисунок 4 — Схема действия сил на частицу в межлопаточном канале С другой стороны из треугольника скоростей получим систему уравне-

нии:

a dn U0 COS ~Jj~V» C0S V'

. . dx u0smff = —— ut sin ц/.

(21)

Подставляем найденные значения системы (21) в формулу (20), имея ввиду, что Rq = mkniil! раскрыв скобки и произведя замену N(t) 7'(0 = ~~ получим:

dN dt dT_ dt

= -knii0N(t)+knu0va cost/z+gsins; = -knn0T(t)+knii0v„ sin y-gcose.

(22)

Путем математических преобразований получаем уравнение для определения скорости частицы в межлопаточном пространстве в любой момент времени:

ÍN(At) = п0 + (~кп • ит ■ п0 + кп ■ м01 ■oe-cosi//+g-sinе)• А/;

\Т(&1) = Tj + (~к„ ■ игл ■ т0 + к„ -ит uesmi//-gcoss)- Л'- ^

Чтобы получить выражение для определения координаты частицы за промежуток времени At, необходимо проинтегрировать выражение (23):

n(At) = n0-At + (~к„-и01 ■ х0 + к„-ит-и,-cosy+ g-sine)

At2

r(At) = т0 • At + {-k„ • u0} -т0+к„- m01 • vt • sin у/ - g ■ cose) ■

Уравнения, полученные при построении поля скоростей воздушного потока в камере дробилки и описывающие зависимость скорости воздушного потока от радиуса Я и угла поворота <5 частицы при частоте вращения ротора-вентилятора п = 3000 мин"1, радиусе кривизны лопаток р — 45 мм, ширине лопаток Ъ — 50 мм выглядят следующим образом:

у„ =18,49+17,34-Я+ 0,12-<5—17,41-Я2 -3,45-<5-Я+2,4б-52; ует =-0,66+11,48-11-13,12-^-2,7-Я2 +6,51-£-11+8,07-52.

Подставим выражения в системы уравнений (23) и (24), получим зависимости, позволяющие определить скорость и координаты частицы при её движении в межлопаточном канале.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа исследований, представлены приборы и измерительная аппаратура. Приводится описание экспериментальной установки. На рисунке 5 показана конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с ротором-вентилятором.

Рисунок 5 - Конструктивное устройство экспериментальной молотковой дробилки с ротором-вентилятором: 1 - выгрузной патрубок; 2 - ось подвеса; 3 - набор молотков; 4 - решето; 5 - ротор-вентилятор; 6 - крышка; 7 - вал; 8 - рама; 9-кожух; 10-электродвигатель; 11 - корпус; 12-лопатки вентилятора; 13, 14 - соответственно, внутренний и наружный диски; 15 — всасывающий патрубок; 16 - ступица

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и методиками испытаний стационарных машин, а также вновь разработанными частными методиками, обеспечивающими получение первичной информации в виде реализации случайных процессов с последующей их обработкой на персональном компьютере при помощи пакета программы Portable Statgraphics Centurion 15.2.11.0.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований и оптимизации параметров дробилки

зерна с ротором-вентилятором. По итогам поискового эксперимента установлено, что выполнение вентилятора совместно с ротором является перспективным направлением совершенствования рабочего процесса молотковой дробилки.

С целью изучения аэродинамических характеристик дробилки проведены исследования влияния окружной скорости лопаток и коэффициента перекрытия камеры измельчения дробилки лопатками ротора-вентилятора

Для математического описания влияния исследуемых факторов на критерии оптимизации реализован план первого порядка 22. В качестве факторов приняли окружную скорость лопаток ротора-вентилятора (фактор и коэффициент перекрытия дробильной камеры лопатками (фактор х2). Окружную скорость лопаток задавали равной 41,6 и 67,5 м/с. Коэффициент перекрытия составлял к = 0,61 и к = 0,76. Критериями оптимизации выступили у1 — КПД т], %; у2 - удельные энергозатраты \У/<3, кВт-с/м3; уг - номинальное полное давление Р„ Па и у4 - гидравлическая мощность Вт.

В результате проведенных исследований установлено, что наилучшие показатели рабочего процесса достигаются при окружной скорости лопаток ротора-вентилятора 67,5 м/с и коэффициенте перекрытия 0,76, при этом номинальный расход составил 0,199 м/с, развиваемое давление 1759 Па при коэффициенте полезного действия 35%.

Следующим этапом исследований было определение оптимальной формы лопаток ротора-вентилятора.

Определяли влияние угла наклона загнутой части лопатки и соотношение длин загнутой части к общей длине лопатки на критерии оптимизации (рисунок 6).

34 50

34

Рисунок 6 — Формы лопаток: а - радиальная шириной 34 мм; б - загнутая Т-образная шириной 50 мм (/,=£; + Ьт)

Была реализована матрица полного факторного эксперимента типа 23. Исследовались три фактора: частота вращения ротора-вентилятора п (фактор */), соотношение длины загнутой части к общей длине Ь лопатки (фактор х2), угол наклона загнутой части лопатки а (фактор Хз).

На основании результатов предварительных исследований факторы изменялись в следующих пределах: частота вращения ротора-вентилятора - 1850 и 3000 мин"1; соотношение длины загнутой части к общей длине лопатки - 1/8 и 1/2; угол наклона загнутой части лопатки - 15 и 45°.

По результатам исследований получены модели регрессии, адекватно описывающие рабочий процесс (Б - критерий Фишера, р = 0,95):

у\ =36,5+3,24*, -3,4г2 +3,28X3 +0,1 +2,88х,х3 -1,95хг*3; (25) у2 = 3,49 +0,81х, +0,25д:: -0,31дг3 + 0.Ц.Г, -0,27х,х3 +0,21х:.г3, (26) где - максимальный КПД ротора-вентилятора г}, %; уг - удельные энергозатраты W/Q, кВт-с/м3, необходимые на перемещение воздушного потока.

В результате проведенных исследований определены пути оптимизации исследуемых факторов. Для увеличения КПД ротора-вентилятора и снижения удельных энергозатрат, необходимых на перемещение воздушного потока, форма лопаток должна быть близкой к лопатке со следующими параметрами: угол наклона загнутой части - 45°, соотношение длин Ь^Ь = 3/10.

Для изучения процесса измельчения зерна изготовлена лабораторная установка, состоящая из дозатора, зерноприемника, двух материалопроводов, дробилки и осадителя.

Для определения влияния конструктивных факторов на показатели работы дробилки после проведения поисковых экспериментов реализован план Бокса-Бенкина для четырех факторов:

- ДГ] — подача материала (), кг/ч;

-х2~ диаметр кольца ротора Д^, мм (рисунок 7);

- дгз — радиус кривизны лопаток р, мм (рисунки 7 и 8);

- х4 - диаметр отверстий решета с/р, мм.

Рисунок 7 - Ротор-вентилятор

а б в

Рисунок 8 - Общий вид исследуемых лопаток ротора-вентилятора: а - радиус кривизны 40 мм; б - радиус кривизны 50 мм; в - радиус кривизны 60 мм

Подачу материала Q задавали равной 180 кг/ч (нижний уровень), 230 кг/ч (основной уровень) и 280 кг/ч (верхний уровень), исходя из максимальной пропускной способности дробилки. Диаметр кольца ротора Да задавали равным 100, 120 и 140 мм, исходя из геометрических параметров дробильной камеры. Радиусы кривизны лопаток р были приняты согласно результатам поисковых опытов 40, 50 и 60 мм для нижнего, основного и верхнего уровней варьирования. Диаметр отверстий решета dp принимали равным 3, 4 и 5 мм.

В ходе исследований оценивалось влияние изучаемых факторов на следующие критерии оптимизации:

- качество получаемого продукта, характеризуемое содержанием: V, - целых зёрен mi, %, у2 — пылевидной фракции т2, % и у, - остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм тг, %;

- >'4 - удельные энергозатраты Э, —кВт 4—;

т ■ ед.ст.ит.

- у5 - степень измельчения Л;

- у6 - средний размер измельченных частиц dc?, мм.

По результатам предварительных исследований частоту вращения ротора-вентилятора принимали равной 3000 мин"1.

Исследования проводили на зерне ячменя сорта Эльф с эквивалентным диаметром 4,21 мм и влажностью 13... 14 %.

После обработки результатов исследований получены математические модели, адекватно описывающие рабочий процесс (F - критерий Фишера, р = 0,95): ух = 1,6 + 4,23 • х4 -1,24 • х2 • х4 +1,688-х4 + 4,045 ■ х42; (27)

у2 = 0,53 + 0,13 • х,- 0,133-х3 - 0,469-х4 +0,301-*?; (28)

уг =4,8 + 11,934 ■ х4 - 3,778 • х2 • х4 + 4,953 • х3 ■ х4 +11,218 • х2; (29)

v4 =1,81- 0,774 • х, + 0,845 • х4 + 0,426 • х: - 0,45 • х, ■ х. + 0,685 • х? +

; (зо)

ys = 2,61 -0,61 ■ х4 + 0,101 ■ xf + 0,17 • х2 • х4 - 0,175 ■ х3 • х4 - 0,178 • х42; (31)

у6 =1,57 +0,432-х4 —0,135-х2 -х4 -0,071-х2 +0,143-х3 -.v4 +0,209-х42. (32)

Анализ полученных математических моделей и двумерных сечений поверхностей откликов (рисунки 9 и 10) показал, что наибольшее влияние на рабочий процесс дробилки оказывают диаметр отверстий решета и радиус кривизны лопаток.

При подаче материала Q = 280 кг/ч и диаметре кольца D^ = 140 мм количество целых зерен в готовом продукте, не превышающее требования ГОСТ, достигается при радиусе кривизны лопаток 54...60 мм и диаметре отверстий решета З...4мм. При этом количество пылевидной фракции составляло 0,6... 1,2 % (рисунок 9, б), а остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм -

4...8 %. Удельные энергозатраты при этом составляли 1,8...2,6—кВт 4—.

т ■ ед.ст.изм.

Значительное снижение пылевидной фракции наблюдалось при уменьшении диаметра кольца £>к (рисунок 9, б). При фиксированных значениях р = 54...60 мм, (/р = 3...4 мм, <2 = 280 кг/ч количество пылевидной фракции составляло для Д( = 100 мм - 0,3... 1 %, Ок = 120 мм - 0,45...0,9 %. При этом содержание в готовом продукте целых зерен уменьшалось в два раза (рисунок 9, а).

1 ч о\ ох

0,45 N ^

*1 " 0,6«. ] 4 >

,0,9" ч

><

40 44 48 б

содержание целых зерен пц, %;

52 р, мм 60

содержание пылевидной фракции т% %

Рисунок 9 - Влияние радиуса кривизны лопаток р (мм) и диаметра отверстий решета (мм) на содержание в готовом продукте: целых зерен (%) и пылевидной фракции т2 (%) при: а - = 140 мм, О = 280 кг/ч; б - йх = 120 мм, О = 280 кг/ч

40 44

— средний размер измельченных частиц с/ср, мм (а) и степень измельчения X (б); _ . . _ . содержание остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм /н3, % (а) и удельные энергозатраты Э, кВт-ч/(т.ед.ст.изм.) (б)

Рисунок 10 - Влияние радиуса кривизны лопаток р (мм) и диаметра отверстий решета с/р (мм) (при £>, = 120 мм, <2 = 280 кг/ч) на: а - содержание остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм /Из (%) и средний размер измельченных частиц с/ср (мм); б - удельные энергозатраты Э (кВт'ч/(т.ед.ст.изм.)) и степень измельчения А

Значительное влияние на средневзвешенный размер готового продукта оказывает диаметр отверстий решета (рисунок 10, а). На решете с диаметром отверстий 3 мм dcf = 1... '1,3 мм, с диаметром отверстий 4 мм -d^- 1,5... 1,6 мм, с диаметром отверстий 5 мм - dtv = 2...2,3 мм. Но при использовании решет с диаметром отверстий 4 и 5 мм содержание целых зерен превышает нормы ГОСТ в 3...4 раза.

По результатам проведенных опытов в области исследования можно рекомендовать следующие значения исследуемых факторов: подача материала Q = 280 кг/ч и диаметр кольца ротора £>s = 120 мм.

Анализ полученных результатов экспериментальных исследований показывает, что минимальные удельные энергозатраты достигаются при радиусе кривизны лопаток 40...50 мм и диаметре отверстий решета 3...4 мм. При этом степень измельчения и средний размер готового продукта составят соответственно 2...3,5 и1,2...2,3 мм в зависимости от диаметра отверстий решета.

Для оптимизации конструктивных факторов реализован план Бокса-Бенкина для трех факторов. При этом факторы варьировались в следующих пределах:

- — частота вращения ротора-вентилятора и: 3000, 3500 и 4000 мин"1;

- х2 - радиус кривизны лопаток р: 40,45 и 50 мм;

- Ху- диаметр отверстий решета с!р: 3, 4 и 5 мм.

В ходе исследований оценивалось влияние изучаемых факторов на:

- У\ ~ удельные энергозатраты Э, —кВт ''—;

т • ed.cm.tmi.

- у2 - степень измельчения X;

• Уз ~ средний размер измельченных частиц dcv, мм;

- качество получаемого продукта, характеризуемое содержанием: „v4- целых зёрен ти %, у5 - пылевидной фракции т2, % и у6- остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм т3, %.

По результатам опытов получены математические модели, адекватно описывающие рабочий процесс (F - критерий Фишера при вероятности р = 0,95): yt = 1,94 + 0,79• + 0,96 • дг} +1,24- xf -1,22 ■ х: • х2; (33)

у2 =3,058 + 0,463-*i-0,311-х3 +0,3■х1 х3 -0,406-х2; (34)

у3 = 1,37 +0,097-х2+0,41-х3 +0,14-х,-х3 + 0,41-х3; (35)

у4 =0,198-0,149-х,+ 0,27-х3 -0,083•дг1-:с3 + 0,094-х2 + 0,157-х3; (36) у5 = 0,51+0,40'X, -0,27-х3 +0,365-х,2 +0,221-х2; (37)

у6 = 4,578—3,74-х, +7,84-х3 —4,13-х, -х3 + 4,13х2 -х3 + 6,38-х2. (38)

Анализ полученных математических моделей и двумерных сечений поверхностей отклика (рисунок 11) позволил выявить влияние исследуемых факторов на изучаемые параметры рабочего процесса дробилки.

Анализ сечений поверхностей откликов позволил сделать вывод, что оптимальный радиус кривизны лопаток для всех критериев оптимизации состав-

ляет р = 45 мм, поэтому далее следует определить оптимальные значения критериев оптимизации при сочетании следующих факторов: диаметра отверстий решета <1Р и частоты вращения ротора-вентилятора п при фиксированном значении радиуса кривизны лопаток р.

Рисунок 11 - Поверхности отклика, характеризующие влияние частоты вращения ротора-вентилятора (*/) и, мин"1 и диаметра отверстий решета (дг,з) <Лр, мм при х2 = 0 на: а - удельные энергозатраты (у/) Э, кВтч/(т.ед.ст.изм.); б -степень измельчения (у^) к\ в - средний размер измельченных частиц (уз) ¿ср, мм; г - количество целых зерен в готовом продукте /и/, %; д - содержание пылевидной фракции (уз) т2, %; е - содержание остатка на сите диаметром 3 мм (уб) Шз, %

Анализ поверхностей отклика показывает, что наименьшие удельные энергозатраты достигаются при диаметре решета 3 мм и частоте вращения

ротора-вентилятора 3000 мин* и составляют 1,3

кВт-ч

-(рисунок 11, а), а

т ■ ед апигм.

изменение частоты вращения ротора-вентилятора п с 3000 до 4000 мин"1 и диаметра отверстий решета ¿/р с 3 до 5 мм приводит к возрастанию степени

измельчения I с 1,9 до 3,52, т.е. на 85,3 %, а средний размер измельченных частиц (1ср увеличивается на 87,5 % (рисунок 11, б и в).

При частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин"1 и установке решета с диаметром отверстий 3 мм (рисунок 11, г; д и е) остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм составляет менее 5 %, количество целых зерен 0,2%, а количество пылевидной фракции до 0,54 %, то есть качество готового продукта, удовлетворяющее зоотехническим требованиям для всех групп сельскохозяйственных животных.

Таким образом, оптимальными показателями дробилки зерна с ротором, _ кВт ■ ч

вентилятором являются: удельные энергозатраты 1,3 -, количество

т • ед.ст.изм.

целых зерен до 0,2 %, остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не превышает 5 %, содержание пылевидной фракции не более 0,54 % при диаметре отверстий решета 3 мм, частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин"1 и радиусе кривизны лопатки 45 мм,

В пятом разделе «Эффективность работы дробилки зерна с ротором-вентилятором» приведены результаты расчетов технико-экономических и энергетических показателей разработанной молотковой дробилки с ротором-вентилятором. Годовой экономический эффект от применения дробилки зерна с ротором-вентилятором в сравнении с дробилкой ДКР - 0,3 составит 14798,16 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с ротором-вентилятором, позволяющая производить готовый продукт с качеством, удовлетворяющим зоотехническим требованиям, с минимальными энергозатратами (патент РФ № 129843 на полезную модель).

2. Теоретическими исследованиями обоснована возможность прогнозирования напорных характеристик дробилки, с учетом сопротивления межлопаточных каналов (по выражениям (11), (12)), а также получены аналитические зависимости, позволяющие определить величину силы нормальной реакции частицы на лопатку вентилятора (19), скорость и координаты частицы при движении в межлопаточном канале (23 , 24) при заданных конструктивных и технологических параметрах.

3. Установлено, что оптимальный режим работы дробилки достигается при окружной скорости лопаток ротора-вентилятора 67,5 м/с и коэффициенте перекрытия дробильной камеры 0,76. При этом номинальное полное давление составляет 1759 Па, гидравлическая мощность 350 Вт, КПД и удельные энергозатраты соответственно 35% и 5,03 кВт-с/м3.

4. Получены математические модели рабочего процесса дробилки, по которым определены ее оптимальные конструктивно-технологические параметры:

- частота вращения ротора-вентилятора 3000 мин"1;

- радиус кривизны лопатки 45 мм;

- диаметр отверстий решета 3 мм.

5. По результатам производственных испытаний в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области установлено, что дробилка обеспечивает пропускную способность 250...300 кг/ч при установленной мощности 1,5 кВт; при этом остаток зернового материала на сите диаметром 3 мм составляет не более 5 %, количество целых зерен менее 0,5 %, содержание пылевидной фракции до

0.54.%. При этом удельные энергозатраты не превышают 1,3 —'''—.

т • ед.ст.изм.

6. Годовой экономический эффект от применения дробилки зерна с ротором-вентилятором в сравнении с дробилкой ДКР - 0,3 составит 14798,16 руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

- публикации в изданиях, определенных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Савиных, ПА. Зернодробилка с ротором-вентилятором / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Сельский механизатор. - 2012. - № 9. - С. 9.

2. Савиных, П.А. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В Н. Нечаев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока -2013. -№ 1. - С. 54-59.

3. Савиных, П.А. Напорные характеристики дробилок зерна / ПА. Савиных,

A.B. Алешкин, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Тракторы и сельхозмашины. -2013,-№5.-С. 29-31.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференции:

4. Нечаев, В.Н. Обзор исследований параметров работы молотковых дробилок /

B.Н. Нечаев, И.В. Барышков // Знания молодых - новому веку. Материалы Все-росс. студ. науч. конф.: Сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2009. - С. 196-199.

5. Нечаев, В.Н. Выбор вентилятора для пневмотранспортирования материала в комбикормовом агрегате / В.Н. Нечаев // Вестник Нижегородского гос. инженерно-экономического ин-та. Технические науки. - Княгинино: Нижегородский ГИЭИ, 2011. - Вып. 5(6). - С. 46-55.

6. Нечаев, В.Н. Обзор конструкций дробилок с пневмозабором / В.Н. Нечаев // Основные направления развития техники и технологии в АПК, легкой и пищевой промышленности. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, ученых: Сб. науч. тр. - Княгинино: Нижегородский ГИЭИ, 2012. -

C. 199-206.

7. Савиных, П.А. Дробилка-«пылесос» / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // V Российский Форум «Российским инновациям - российский капитал» X Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов: Каталог. - Нижний Новгород 2012. - С. 257258.

8. Савиных, П.А. Результаты экспериментальных исследований ротора-вентилятора дробилки зерна закрытого типа / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Проблемы интенсификации животноводства с учетом пространственной инфраструктуры и охраны окружающей среды - Материалы Междунар. науч. конф. - Фаленты-Варшава: Институт технологических и естественных наук, 2012. - С. 238-243.

9. Булатов, С.Ю. Исследование влияния коэффициента перекрытия камеры измельчения молотковой дробилки зерна на ее аэродинамические характеристики /

С.Ю. Булатов, В.Н Нечаев // Вестник Нижегородского гос. инженерно-экономического ин-та. Технические науки. - Княгинино: Нижегородский ГИЭИ,

2012.-Вып. 8(15).-С. 3-11.

10. Нечаев, В.Н. Изучение влияния конструктивных факторов лопаток ротора-вентилятора на показатели рабочего процесса дробилки / В.Н. Нечаев И Вестник Нижегородского гос. инженерно-экономического ин-та. Технические науки. - Княгинино: Нижегородский ГИЭИ, 2012. - Вып. 8(15). - С. 12-20.

11. Нечаев, В.Н Методика исследования рабочего процесса измельчения зерна дробилки с ротором-вентилятором / В.Н. Нечаев, С.А. Синигаев // Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых -Княгинино: Нижегородский ГИЭИ, 2012.-С. 172-179.

12. Савиных, П. А. Теоретическое исследование движения частицы в камере измельчения дробилки зерна с ротором-вентилятором / П. А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Марийский гос. ун-т,

2013. - Вып. XV. - С. 186-190.

13. Савиных, П.А. Результаты исследований по определению траектории движения зерновки в камере измельчения дробилки / П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н Нечаев // Проблемы интенсификации животноводства с учетом пространственной инфраструктуры и охраны окружающей среды — Материалы Междунар. науч. конф. - Фаленты-Варшава: Институт технологических и естественных наук, 2013. - С. 234-242.

14. Патент Рос. Федерации № 129843 на полезную модель. Молотковая дробилка с ротором-вентилятором / ПА. Савиных, В.Н. Нечаев, С.Ю. Булатов, Н.В. Туру-банов; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени НВ. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук. -№2013100678/13; заявл. 09.01.2013; опубл. 10.07.2013,Бюл. № 19.-3 с.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л.1,0.Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 66.

Отпечатано в ИПЦ НГИЭИ с оригинал-макета 606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул.Октябрьская, 22 а

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РОТОРА-ВЕНТИЛЯТОРА МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА

ЗАКРЫТОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нечаев Владимир Николаевич

04201450821

а правах рукописи

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор П. А. Савиных

Киров-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................7

1.1 Классификация молотковых дробилок зерна......................................................7

1.2 Параметры дробилок, влияющие на их рабочий процесс........................9

1.3 Краткий обзор конструкций дробилок зерна......................................................18

1.4 Некоторые сведения при выборе вентилятора для пневмотранспортирования материала в комбикормовом

агрегате......................................................................... 34

1.5 Задачи исследования......................................................... 36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДРОБИЛКИ ЗЕРНА............................................................ 38

2.1 Влияние геометрических параметров рабочего колеса ротора-вентилятора на его напорные характеристики................................ 38

2.2 Исследование процесса движения частицы по лопатке ротора-вентилятора...................................................................... 46

2.3 Исследование движения частицы в камере измельчения дробилки зерна с ротором-вентилятором.............................................. 51

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................ 58

3.1 Программа экспериментальных исследований........................... 58

3.2 Методика экспериментальных исследований............................. 58

3.2.1 Приборы и оборудование..................................................... 58

3.2.2 Экспериментальная установка............................................... 60

3.2.3 Методика снятия аэродинамических характеристик.................... 63

3.2.4 Методика исследования полей скоростей воздушного потока

в рабочей камере дробилки................................................... 68

3.2.5 Методика проведения испытаний дозатора............................. 69

3.2.6 Методика определения основных показателей рабочего процесса измельчения и технологических характеристик материала........... 71

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..... 74

4.1 Исследование влияния коэффициента перекрытия камеры

измельчения дробилки на аэродинамические характеристики....... 74

4.2 Исследование формы лопаток вентилятора.............................. 78

4.3 Исследования распределения воздушного потока в рабочей

камере дробилки................................................................ 82

4.4 Результаты производственных испытаний................................ 85

4.5 Результаты оптимизационного эксперимента............................ 94

5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА С РОТОРОМ-

ВЕНТИЛЯТОРОМ............................................................. Ю1

5.1 Технико-экономическое обоснование применения дробилки

зерна с ротором-вентилятором.............................................. 101

5.1.1 Определение вида перерабатываемого сырья........................................................101

5.1.2 Анализ рынка и выбор базы сравнения........................................................................102

5.1.3 Расчет технико-экономических показателей............................................................103

5.2 Расчет энергетической эффективности........................................................................109

5.3 Результаты производственной проверки....................................................................112

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................................126

Приложение А Патент РФ на полезную модель № 129843. Молотковая

дробилка с ротором-вентилятором.................................... 127

Приложение Б Программа для расчета параметров движения частицы

материала по лопатке ротора-вентилятора.......................... 131

Приложение В Исходные данные и результаты теоретических расчетов траектории движения зерновки в межлопаточном пространстве............................................................... 143

Приложение Г Данные об оценке адекватности и значимости факторов

модели...................................................................... 144

Приложение Д Акты производственных испытаний дробилки зерна с

ротором-вентилятором и внедрения результатов законченных научных исследований.................................................. 164

Приложение Е Информационное письмо о предоставлении гранта

Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники 166

Приложение Ж Техническое задание на выполнение научно-

исследовательских и опытно-конструкторских работ............ 167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Главными задачами, стоящими перед сельскохозяйственным производством согласно Госпрограммы развития сельского хозяйства на 2013...2020 годы [48], являются обеспечение продовольственной безопасности страны и повышение конкурентоспособности российской сельскохозпродукции на внутреннем и внешнем рынках в рамках вступления России в ВТО. Важное место в реализации данных проблем отводится повышению производительности труда на основе применения передовых технологий и высокоэффективных систем машин и оборудования в растениеводстве и животноводстве.

Одним из самых трудоемких процессов животноводства является кормо-приготовление, а именно: операции измельчения кормов, скармливаемых животным. Существенную долю в структуре кормовых рационов занимают концкорма, поэтому важную роль играет технология подготовки их скармливанию.

В настоящее время наибольшее распространение получила технология производства комбикормов непосредственно в хозяйствах. Однако опыт эксплуатации дробилок комбикормовых агрегатов с пневматической загрузкой и выгрузкой исходных компонентов комбикорма выявил их существенные недостатки. Это, прежде всего, низкий КПД воздушного потока, невысокая пропускная способность и недостаточное качество получаемого продукта. В связи с этим у сельхозпроизводителя возникает множество проблем: снижение объемов производства и качества продукции, повышение затрат труда на производство кормов, снижение продуктивности животных, уменьшение рентабельности.

Несмотря на широкое распространение молотковых дробилок с пневматической загрузкой материала, их рабочий процесс недостаточно изучен, что обуславливает необходимость проведения исследований в данном направлении.

Цель работы и задачи исследования. Цель исследования - снижение энергозатрат рабочего процесса дробилки зерна закрытого типа путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротора-вентилятора.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему и экспериментальную установку молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором;

- определить влияние геометрических параметров рабочего колеса вентилятора дробилки на его напорные характеристики;

- провести теоретические исследования процесса движения зерновки по лопатке ротора-вентилятора и в межлопаточном пространстве;

- получить регрессионные модели процесса функционирования дробилки и оптимизировать ее основные конструктивно-технологические параметры по критериям эффективности;

- определить экономическую и энергетическую эффективность дробилки зерна по результатам производственных испытаний.

Научную новизну работы составляют:

-конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с ротором-вентилятором, позволяющая производить готовый продукт с удовлетворяющим зоотехническим требованиям качеством при минимальных энергозатратах (патент № 129843 РФ на полезную модель);

-модели регрессии рабочего процесса молотковой дробилки с ротором-вентилятором, позволяющие определить ее оптимальные конструктивно-технологические параметры.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получены аналитические зависимости по определению влияния геометрических параметров рабочего колеса ротора-вентилятора на его напорные характеристики.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснована конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором, позволяющей повысить качество готового продукта при достаточно низких показателях металло- и энергоемкости.

Опытный образец дробилки зерна с ротором-вентилятором внедрен в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области.

Материалы исследований переданы Министерству промышленности и инноваций Нижегородской области в ходе реализации проекта «Дробилка для фуражного зерна с ротором-вентилятором» (2012 г.), а также ООО «Иннотех» в течение календарного срока выполнения работ по программе «УМНИК» г. Нижний Новгород (2012 ... 2013 гг.).

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором;

- уточненные теоретические напорные характеристики колеса вентилятора дробилки, учитывающие сопротивление межлопаточных каналов;

- результаты теоретических исследований процессов движения частицы по лопатке ротора-вентилятора и при сходе с нее;

- результаты экспериментальных исследований рабочего процесса молотковой дробилки с ротором-вентилятором и ее оптимальные конструктивно-технологические параметры;

- результаты производственных испытаний дробилки и их экономическая эффективность.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором, а также положительными результатами практического внедрения.

Основные положения диссертационной работы доложены на Всероссийской студенческой научной конференции в Вятской ГСХА (г. Киров, 2009 г.); на Международных научно-практических конференциях в Нижегородском ГИЭИ (г. Кня-гинино, 2011...2012 гг.), в ВНИИМЖ (г. Подольск, 2012...2013 гг.), в Марийском ГУ (г. Йошкар-Ола, 2013 г.); на Международной научной конференции в Институте технологических и естественных наук (г. Варшава, 2013 г.); на XVII и XVIII Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 2012...2013 гг.); на V Российском Форуме «Российским инновациям - российский капитал» X Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Нижний Новгород, 2012 г.).

По теме диссертации опубликовано 13 научных статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен один патент РФ на полезную модель.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору П.А. Савиных, доктору технических наук, профессору A.B. Алешкину, кандидатам технических наук С.Ю. Булатову и Н.В. Туру-банову, а также сотрудникам Нижегородского ГИЭИ за всестороннюю помощь и поддержку в процессе выполнения работы.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Классификация молотковых дробилок зерна

Основным оборудованием для измельчения зерна в сельскохозяйственном производстве являются молотковые дробилки. Они имеют большое разнообразие конструктивных решений, связанных с организацией технологического процесса подачи материала в дробильную камеру, измельчения и отвода измельченного продукта.

Для выявления общего направления в совершенствовании этих машин предложены различные классификации молотковых дробилок [8, 26, 27, 32, 37, 43, 93, 101 и др.]. Но они не учитывают особенностей современных технологий производства концентрированных и комбинированных кормов, поэтому нами доработана классификация молотковых дробилок зерна (рис. 1.1).

Предлагаемая классификация позволяет проследить основные тенденции развития механизации процесса измельчения, определить перспективные направления и поставить задачи совершенствования молотковых зернодробилок.

Анализируя предложенную классификацию, можно сделать вывод, что существующие дробилки отличаются друг от друга по многим признакам: способам организации рабочего процесса, подаче и отводу материала, регулированию степени измельчения, количеству ступеней и т. д.

Независимо от этих различий они должны удовлетворять следующим основным требованиям: производить равномерное измельчение продукта при минимальном количестве межой и крупной фрации, обеспечивать быстрый отвод его из дробильной камеры, иметь возможность удобного регулирования степени измельчения, иметь: достаточно высокую производительность при малом удельном расходе энергии, высокую надежность и износоустойчивость рабочих органов, быть простыми по устройству и удобными в обслуживании [93].

Несмотря на большое количество работ по измельчению зерна, в настоящее время этот процесс еще недостаточно изучен. Наиболее слабо освещен рабочий процесс пневматической загрузки и выгрузки материала (подвод и отвод продукта за

счет воздушного потока, создаваемого ротором и вентилятором), что не позволяет разрабатывать эффективные технические средства для измельчения зерна

По количеству ступеней

Одностадийные

Многостадийные

Вертикальное

Горизонтальное

Высокая (> 10 т/ч)

Средняя (2.. .10 т/ч)

Низкая (< 2 т/ч)

По

производительности

По расположению вала

Молотковые дробилки

Решетные

По наличию решет

Безрешетные

Без сепарации

С сепарацией

В разделительной камере

В дробильной камере

I

По месту подвода материала

Тангенциальное

Радиальное

Осевое

Боковое

С комбинированной сепарацией

По регулированию степени измельчения

Нерегулируемые

Сепаратором

Конструкцией ротора

Конструкцией статора

Регулируемые

Комбинированным способом

Воздушным потоком

По способу организации рабочего процесса

Открытого типа Закрытого типа

Специализированные Универсальные

По назначению

Самотеком

По подаче и" отводу материала

Принудительная

Транспортером

Воздушным потоком ротора

Воздушным потоком вентилятора

Воздушным потоком ротора-вентилятора ц

С незамкнутым воздушным циклом

С замкнутым воздушным циклом

С рециркуляцией

Без рециркуляции

Рисунок 1.1 - Классификация молотковых дробилок

Указанные обстоятельства обуславливают необходимость дальнейших исследований по поиску конструктивно-технологической схемы молотковой дробилки с пневматической загрузкой зерна, отвечающей требованиям поточности производства.

1.2 Параметры дробилок, влияющие на их рабочий процесс

Основные параметры, влияющие на рабочий процесс дробления зерна делятся на две группы [17, 60]: 1) свойства дробильной машины (параметры, характеризующие конструктивные особенности дробилки): свойства и состояние дробящей поверхности, ее скорость и характер движения, диаметр и длина ротора, количество молотков на роторе, масса рабочего органа (соотношение масс рабочего органа и материала), коэффициент трения рабочей поверхности по материалу и т.п.; 2) свойства измельчаемого материала и параметры режима измельчения: прочность, твердость, вязкость, однородность, состояние и вид поверхности, степень влажности, размеры, форма и взаимное расположение дробимых кусков и т. п.

В. А. Сысуев, А. В. Алешкин, П. А. Савиных [93] выделяют следующие виды параметров: 1) управляющие (регулируемые) параметры, которые можно изменять и измерять по необходимости (состав и структура кормов, подача кормов, режимы работы и др.); 2) неуправляющие (нерегулируемые) параметры, которые можно измерять, но нельзя воздействовать на них в ходе процесса (например, влажность и др.); 3) случайные параметры, воздействуют на систему случайным образом, изменяются во времени непредсказуемо (забивание рабочих органов, надежность машины и др.).

Многочисленные исследования [7, 13, 17, 36, 100 и др.] подтверждают, что основанием к расчету рабочих органов, снижению энерго- и металлоемкости кормоприготовительных машин (в том числе и молотковых дробилок зерна), повышению качества кормов в процессе подготовки к скармливанию являются знания физико-механических свойств материала и технологических требований, предъявляемых к нему.

Автор публикации [14] отмечает, что энергозатраты, нагрузки на элементы рабочих органов и качество продукта зависят от прочности, хрупкости, твердости, упругости, абразивности и плотности измельчаемых материалов.

Одним из важнейших свойств кормов является влажность (внешняя и внутренняя) [12, 17, 38, 42, 43, 97, 98, 100, 102 и др.], существенно влияющая на показатели рабочего процесса дробилки. При повышенной влажности зерно хуже измельчается, снижается производительность машин, возрастает расход энергии. При увеличении влажности на 1% свыше оптимальной удельный расход энергии на измельчение возрастает на 6 % [97].

Все материалы имеют свое оптимальное значение влажности, при котором расход энергии на дробление наименьший. С. В. Мельн