автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Прогнозирование ресурса молотков дробилок для повышения эффективности их функционирования

Всероссийский научно-исследовательский я гфоехтно-технологический т1ституг; ^й<аннзащш и электрификации сельского хозяйства и " '' "' (ВНШГГНМЭСХ)

На гграаах рукописи

МОИСЕЕВ ОЛЕГ НИКОЛАЕЕИЧ

прогнозирование ресурса молотков дробилок

для повышения эффективности их оуннвдшнрования

Специальность- 05.20.03 Эксплуатация.

восстановление и ремонт

сельскохозяйственной

техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Зерноград 1998

Работа выполнена в Азово-Черноморской государственной агроинн нерной академия ка кафедре "Надежность и ремонт машин". Научный руководитель- кандидат технических наук,

доцент Полуян А. Г. Научный консультант - доктор технических наук.

профессор Валуев Н.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Богонягких В. а. кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник Устенхо А.Ф.

Ведущее предприятие - Северо-Кавказская МИС

Защита состоится 1Т р&коо/гя. в (0_ часов на заседании дис сертавдонного совета Д 020.36.01 при Всероссийском научно-исследова тельском к проектно-технологическом институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 347720 г. Зерноград Ростовско: области, ул. Ленина.14, ВНИПТйМЗСХ.

с диссертацией моано ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на реферат (в двух экз.).заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан /7 ноаЕпа_

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, ст.науч.сотрудник

/Хлыстунов В.Ф. /

общая характеристика работы

Актуальность тш. Научно обоснованная система веления перерабатывающей отрасли представляет собой комплекс взаимоувязанных организационно-экономических. агрономических и инженерно-технологических мероприятий, способствующих стабилизации и дальнейшему раззитис производства конкурентно способной продукции.

Однако оборудование большинства предприятий морально и физически устарело и не соответствует современным техническим и санитарным требованиям. Около 25% техники эксплуатируется свыше 10 лет. Этс приводит к тому, что на многих предприятиях доля ручного труда , составляет 40-60%. Неудовлетворительное состояние технического оснащения кормопроизводства з сочетании с невысоким его организационным уровнем является основной причиной сникения питательной ценности кормов на 35-45%. В настоящее зремя эффективность технологического оборудования не удовлетворяет требованиям производства.

Анализ показал, что дефицит силосно-сенажного рационов кормления достигает по переваримому протеину 15-28%. недостаточно также фосфора, кальция, меди, цинка, марганца, кобальта, йода. Компенсирс-вать дефицит рационов можно за счёт использования комбикормов в виде комплексных добавок. Установлено, что использование комбикормов, балансирующих рационы по дефицитным питательным веществам, способствует повышение продуктивности животных на 7-18%. увеличению поедаемос-ти кормов,снижению затрат кормов на единицу продукции на 6-15% и эксплуатационных - на 40-50%.

Молотковые дробилки используются в 90% всех технологических линий по приготовлению концентрированных и комбинированных кормов.

Эффективность использования дробилок во многом обусловлена конструктивными параметрами и техническим состоянием молотков. Неэффективность их использования внрапается в выбраковке молотков пригодных к работе, или б использовании изношенных колоткое.

Это призодит к необосяовано большому количеству техобслуживание по замене молотков (около 50 обслуживании в год), повышенному расход? оборотных средств на закупку молотков и на оплату электроэнергии. Процессы измельчения различных материалов с учётом состояния молотков исследованы недостаточно.Отсутствует системный подход к дроблению. включавший, с одной стороны, зерно с его свойствами и, с другоР стороны,измельчающее устройство. Поэтому предлагаемая работа актуаль-

Цель исследований - повышение эффективности функционировали? молотковых дробилок путём прогнозирования ресурса молотков.

- С -

Объект исследований - молотксзая дробилка.

Методика исследований. Общая методика исследований предусматривала разработку теоретической модели взаимодействия молотка с зерном, ее прсзерку з производственна: условиях и зксномическук оценку результатов исследований.

Научная новизна. Разработанная,с учётом факторов, оказывающих влияние на качество дробления(тзёрдость. угловая скорость, геометрические параметры молотков, физике-механические характеристики перерабатываемого материала ), математическая модель позволяет прогнозировать ресурс молотка в тоннах переработанного материала. Теоретически обоснованы оптимальные рабочие параметры молотка с учетом их износа з процессе сабсты.

Практическая зночадюсть.Разработанная методика расчета ресурса позволяет прогнозировать ресурс молотков, снизить энергозатраты, повысить эффективность функционирования дробилок б целом, устранить необоснованную замену молотков.

Реализация резулыхшюв исследования. Теоретические разработки используются е производстве.Акты внедрения приложены к диссертации.

Апробация работам.Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях АЧИМСХ з 1994-1998 годах, Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технэлогического института механизации и электрификации сельского хозяйства в 1994-1997годах, Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии в 1996-1997 годах. Содерназие диссертационной работы доложено и обсуждено на расширенном заседании научно-технической комиссии АЧГАА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы общим объемом 0.8 печатных листа.

Структура и объем работ. Гпссертация состоит из введения, пяти глав, выводоз, списка литературы из 120 наименований, из них 8 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, иллюстрированна 37 рисунками и 20 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы исследования.изложены основные положения. которые заносятся на защиту.

В главе "Анализ состояния вопроса и задачи исследований" проанализирован процесс взаимодействия молотка с зерном и пути повышения эффективности функционирования дроСилок. Особое вникание уделено ана-

_ з -

лизу работ, посвященных износу молотков.

Из теоретических работ о процессе дробления необходимо отметить труды Горячкина В.П.. Фабраканта М. Б., Сушкова П. Ф. и др.

Однако авторы рассматривали только влияние износа на показатели работы, ко не учитывали влияние измельчаемого материала на износ мс-лотков. Все ранее проведенные исследования были направлены на совершенствование конструкции дробилок, изучение технологического процесса и физико-механических свойств кормов.

Исследованиями Меркулова М. И.. Тенекбаума М.Н.. Сыроватка В.И. установлено, что процесс износа состоит из двух фаз: усталостное выкрашивание вследствие ударов молотка по зерну и абразивный износ н следствие длительного скольжения зерна по рабочей поверхности молотка. Однако большинство авторов считает, что преобладает износ вследствие усталостного выкрашивания. Ка наш взгляд, это предположение необоснованно и процесс износа необходимо рассматривать как совокупность двух вышеуказанных процессов.

Анализируя существующие теоретические исследования и результата обследования работа дробилок в производственных услозиях. монно сделать следующие вывода:

1. Вопрос взаимодействия молотков с продуктами измельчения и условия работы молотка изучены не полностью.

2. До сих пор нет общей теории взаимодействия молотка с зерном. Отсутствие такой теории затрудняет обобщение экспериментальных данных, направленных на выязление слоеных зависимостей между факторами. определяющими результат измельчения.

3. Отсутствует системный подход к дроблению, включающий, с одной стороны, зерно, с другой стороны - измельчающее устройство.

4. Критерия на выбраковку молотков по предельному рабочему состоянию, вообще говоря, нет.каждый механик руководствуется своим лич--шм опытом. Исходя из этого необходимо определить критерий выбраковки молотков.

В связи с зыше сказанным возникает необходимость в проведении ^следований по изучению влияния параметров молотка на эффективность функционирования дробилки.

Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие адачи:

1. Разработать теорию взаимодействия рабочей грани молотка с ¡ерном в процессе его износа.

2. Провести исследования влияния свойств материала молотка, его инструктивных параметров в процессе износа и физико-механических

свойств перерабатываемого материала на эффективность функционирования дробилки.

3. Обосновать оптимальные рабочие параметры молотка.

4. Используя разработанную теорию ззаимсдейстзия молотка с зерном, определить ресурс молотков при работе на различном сырье.

5. Провести производственную проверку разработанных рекомендаций.

S.Определить экономическую эффективность использования разработанных рекомендаций по оптимизации ресурса различных молотков.

В главе "Магяелижическая модель взаимодействия иолатха дробима с зерном" рассмотрены существующие методы определения износа молоткг и предложена полученная нами математическая зависимость, позволяющая определять износ и ресурс рабочей грани молотка.

При рассмотрении явлений удара используются различные теории. Самое важное при измельчении зерна ударом - оценка эффективносп удара, возможность разрушения зерна.

Для решения этой задачи нужно иметь динамическую теорию прочности и располагать численными значениями физикс-механическю свойств зерна, которые пока малс изучены. Поэтому при разработке теории разрушения материалов ударом, необходимо всестороннее изучение связей между физико-механическими характеристиками измельченного материала и динамической характеристикой нагрузки.

Наиболее полно описывает явление удара волновая теория. Разработкой этой теории занимались Сен-Венан, Релей, Нейман.

Классическая теория соударения твердых тел Ньютона не позволяет определить величину сил при ударе, так как она охватызает только область скоростей соударяющихся тел. Внутренние закономерности процесса удара - напряжения, контактные силы, продолжительность удара, величины деформаций - оставались при этом неизученными. Лишь после появления теории контактных деформаций тел Герца (1881 г.) удалось расчетным путем установить зависимость величины контактной силы и длительности соударений от массы соударяюздахся тел, их формы, физико-механических свойстз и скоростей.

Экспериментальная прозерка теории Герца, выполненная Данником А. Н.. показала, что экспериментальные и расчетные данные совпадают. На основании теории Герца учеными Кальчевским Н. А., Давиденко-вым H.H., Штаерманом И.Я.. Лявом A.B. и другими разработана математическая теория соударения твердых тел, обладающих упруго-пластическими свойствами.

Современная теория измельчения материалов ударом создана проф.

Андреевой С. Е., Лезенсоном Л. Б., акад. Коллагоровык А. Н. и лр. ■ Кз $арубекных исследований следует стметить груды Румпфа Г., Бонда Ф. и %/ЙС Р .

Особая роль принадлежит академику Риденбергу П.А. и представи-•елям его школы. Они раскрыли физико-химическую природу явлений, гоотекагоших в твердом теле при его разрушении. Риденберг П. А., опи-кзая энергетический баланс в процессе измельчения,предложил для пределения расхода энергии на разрушение твердого тела зависимость:

А = Ку-Кп'-У + Опов-ДБ (1)

де А-расход энергии на разрушение;!^- коэффициент,характеризующий изкко-механичэские свойства разрушаемого материала;Ку-коэффициент, читывающий какая часть объема частицы деформируется; V-объем разру-аемого тела;а„ов - удельная поверхностная энергия разрушаемого те-а;ДЗ - новая поверхность.образованная при разрушении.

Следует также отметить работы Вейбула В., Конторовой Т.А. и эеккеля В. И. по статистической теории прочности с учетом влияния азмеров разрушаемых тел на энергоемкость процесса. Наибилее простой •!д имеет формула Вэйбула, по которой напряжения при хрупком разру-;нии подчиняются следующему соотношение :

бр«-^1", (2; зе брх - разрушающее напряжение^ - объем разрушаемого тела; А и ш постоянные величины.

Формула (2) описывает процесс однократного деформирования тела дает в этом случае как количественное, так и качественное соотносив между результатом процесса и затраченной энергией.

Математические модели молотковых дробилок такке получены Холби-м В. А., Плеве А.Г.. Редуновын Г.М. Модели статики, динамики и воз-иений случайного характера получены ими для молотковых дробил:?: па А1-ДДП. '

Однако 5 этих работах рассмотрены лишь изменения кинетической ергии и количества работы, необходимой для разрушения зерна. Пред-кенные формулы являются полуэмпирическими, включают в себя большое личество поправочных коэффициентов к петому не могут служить оснс-й. для анализа рабочего процесса молотковой дробилки закрытого ти-

Основнык недостатком иззестных формул является то, что при их зеде рассматривается удар молотка по отдельной частице, а ке зокупности частиц, не учитываются и свойства материала, кз которо-изготовлен молоток.

Процесс дробления связан с ударами отдельных зерен (частиц) о

поверхность кслотка и деки к относительным движением (скольжением) частиц по ударной поверхности молотка. Б связи с тем. что твердость, износостойкость, упругие характеристики, напряжения, при которых происходят разрушения, и т.п. характеристики частиц значительно низе аналогичных характеристик молотка, то предполагаем, что изнашивание молотка связано с усталостным разрушением поверхностного слоя от ударного воздействия частиц с последующим его истиранием за счет относительного движения частиц.

Определение относительных напряжений с учетом трения у. износа представляет собой сложную математическую проблему даже в случае износа упругой полосы жестким штампом при отсутствии ударных явлений. Строгая математическая постановка процесса удара с учетом трения, износа и разрушения представляет собой отдельную проблему. :-:е входящую б цели настоящего исследования. Поэтому для ответа на поставленные вопросы о нахождении контактных наполнений используем положения прикладной теории удара , делая допущения, не полностью описывающие рассматриваемое явление, но дающие возможность построить математически обозримую модель, с помощью которой удастся получить как качественные, так и количественные оценки. Процесс изнашивания ударной поверхности молотка молотковой дробилки мокет быть разделен на две части. Первая - изнашивание з результате удара молотка о размельчаемый материал, зторая - истирание поверхности при длительном скольжении разрушаемого материала. Строгая математическая постановка контактного взаимодействия с износом представляет собой сложную математическую проблему.

В качестве модели, описывающей изнашивание <3у поверхности молотка. выбирается известная гипотеза Престона , хорошо описывающая процесс механического истирания поверхности:

ау = с-р-п-л . (3)

где с - коэффициент пропорциональности; р- давление в данной точке; п - относительная скорость перерабатываемого материала относительно поверхности молотка;Л - интервал времени.

При рассмотрении первого процесса изнашивания (при ударе) напряжения р могут быть найдены с учетом волновых и деформационных свойств разрушаемого материала и молотка:

р = У-Е- |/р~, (4)

„1/5

Р = [ И-Уг-( Б+1 )-

де V - скорость соударения;Е - плотность и модуль упругости разумеемого материалам - масса частицы; s. g - коэффициента зависящие г деформационных свойств соударяемых материалов.

Зместе с тем очевидно, чтс эти контактные напряжения не могут ревосходить Т - критическое напряжение, при котором происходит раз-ушение частицы. Относительная скорость и может быть найдена по тео-ии механического удара с использованием гипотез Ньютона или как редкяя скорость за время удара с учетом деформационных свойств соу-аряемых тел:

и = и- [(x+R-cosa)-sin(a+0) + (R sina-t-b/2-f (х))- cos(a-f)]. (6)

[-fCKT ♦ n-w2-(x+R)]-3,218-(m/g)2/5 [w-(x+R)]3/s

u = ---———- . (7)

m

не R - радиус подвеса молотка (рис. l);a - угол, который составляет ;ь молотка с радиусом ротора;0 - угол наклона касательной ударной ззерхноста молотка;b - ширина молотка;fix) - форма ударной поверх-эсти молотка;ГСЗ! - коэффициент трения скольжения частицы по поверх-эсти молотка;и - угловая скорость ротора.

Рис.1. Схема взаимодействия молотка с зерном Заметим, что реальная относительная скорость будет несколько гае расчитываемых по соотношениям (6).(7), т.к. последние получены условиях гладкого контакта. Поэтому из (6).(7) следует выбирать аименьшее. Для изучения второго процесса изнашивания (длительного .тольяения) рассмотрим относительное двикение единичной частицы по :верхности молстка(рис. 1). Это движение описывается уравнением:

rue ar - относительное ускорение; a,. - переносное ускорение; а,;- ус корение Кориолиса;Н - модуль нормальной реакции;п , т - единичнъ ректоры касательной и нормали.

Уравнение (8) может быть сведено к зилу

о- ( q-u2 + p a n - w2 -г + 2 wxp a )» H-( й - fCI-T). (9) где u = х; р = { 1, f' (х). О };q = { О. fix), О >;

г = { x+R-cosa ,-R-sinp -Ь/2 +f(x), О };w - вектор угловой скорост р:тора.

Уравнение (9) проектированием на вектора пит сводится к нели нейной системе дифференциальных уравнений

и' - F (и, х, fix), { , f ) I

(10)

N « F (u.x.f(x).f'.f") ;гли J

If Ъ \

u' - -[u2 <l+fcif') {x+R-coscc)+(fCK-f') (- +Rsina-f(x) +u2

a-(l+f*z) \ 2 /

• (fCK-f ) f"-2 oj-u fcs(f'2+l)]:

m r b

H = - - zf-ш2 [f" (x+cosa) + (- +Rsina - f (x))]+2o-u(l+f'2j

Система (10) монет быть решена численно по схеме Рунге-Кутта. В результате этого может быть найдена относительная скорость и и давление р .

a = a (х , Xq)

р = р (х , Xq)

(11)

где х. Хо-соответственно текушая и начальная координаты частицы.

Итак найдены относительная скорость и давление в двух процессах изнашивания от единичной частицы. Если известно распределение частиц .три ударе Ц (Хд) и при скольжении (%). то суммарный износ поверхности йу за промежуток времени с^ моает быть найден следующим образом

XI

<1у = / ШИХ.Хо) Мх0) + Н2 (Х.Хо ) (Хф ) ] йХо , (12)

где в соответствии с (3) Н = с-р-и , а р и и вычисляются по соотно-лениям (4)-(7) для процесса удара и по соотношению (10)- для процесса скольЕения; [XI ,х2] - отрезок, на котором происходит взаимодейс-

j

гвие молотка с частицами.

По времени монет быть выбран пошаговый процесс интегрирования соотношения (12) с нахождением формы fix) ударной поверхности молотка на каждом шаге. 3 качестве шага по времени целесообразно выбирать, время, кратное времени одного оборота молотка.

Численно реализация изложенного подхода осуществлена в виде [трограммы на языке FORTRAN-77 для IBM совместимых ПЭВМ.

Таблица :

Зависимость ресурса рабочей грани от твердости материала молотка и вида зерновых

Вид зерновых Твердость материала молотка HRC

35 45 55 65 75

пшеница твердая пшеница мягкая ронь кукуруза 402 321 402 166 516 412 516 213 631 504 631 261 746 596 746 308 861 687 861 356

С помощью полученной математической модели было произведено те-эретическое прогнозирование ресурса молотков различной твердости ;таблица1) и конструкции (рис.2), построены графики изменения формь эабочей грани молотка(рис. 3).

Рис.2. Конструкции испытуемых молотков:

■е-

е-

е-

-е

■о

1- тело молотка;

2-наплавлен-ный слой.

серийный

упрочненный

экспериментальный

Рис.3.Теоретическая динамика износа рабочей грани мслоткоЕ при переработке мягкой пшеницы

ю л*

(у сезийныи молсток

V

контрольные точки

Ю 11 12

упрочнённый молоток

• » 1« 11 п

контрольные точки

экспериментальный молоток

контроль»,

9 10

Ые точки

11 12

В главе "Общая программа и методика экспериментальных исследований" представлены цель, задачи и методика экспериментальных исследований, дано описание оборудования, приборов. Е соответствии с поставленными задачами для проведения исследований было предусмотрен: использование приборов и устройств, выпускаемых прсг^шишенностью.

Основными задачами исследований являлись опенка адекватности математической модели, определение ресурса и эффективности применения методики определения ресурса молотков.

Экспериментальные исследования проводились на оборудовании АО "Лиман"(завод рыбных гранкормов).Для получения достоверной оценки износа.как показали эксплуатационные испытания, необходимо испытывать выборку, содержащую не менее ЗС штук молстксв.При этом стабилизируется средняя величина их износа(рис. 4.)

ис.4. Влияние объема выборки на величину среднего износа молотков и очность его оценки:V - коэффициент вариации; и- точность оценки; -относительная погрешность; X - средний износ

Наиболее трудоемкой при проведении серии опытов была операция амера износа молотка по длине рабочей части. Замер линейного износа зоводился на приспособлении (рис.5). Схема измерения выбрана с та-1м расчетом, чтобы исключить влияние отдельных выбоин и выкрализа-1й на результаты измерений. Молоток 10 базируется своей поверх-)стыо на плоскость приспособления 1!, направляется по задней грани 1льцами 9 и упирается боковым отверстием в упор 4,установленный в 'рпусе с.Шаблон 1 принимается пэуниной 12 к нзнажваюзейся лсверх->стк молотка, имеет возможность перемещаться б приспособлении по лравляющей 7 хвостовиком 6 в направлении износа молотка. К шаблону «креплен упор 2. к которому прикасается ненка 3 микронного индика-

тора, установленная пол таким ке углом.что и направлявшая приспособления 7.Такая конструкция позволяет измерять износ молотка точно и быстро, устанавливать хвостовики, направляющие и индикатор 8 под разными углами. Ввиду того, что при измерении профиль шаблона касается всей рабочей поверхности. то наличие отдельных выбоин и выкрашиваний никак не влияет на измеряемое значение износа. Массовый износ определялся разностью массы молотков.Взвешивание производилось на лабораторных весах марки ВЛКТ-500г-М с точностью до 1 грамма.

Для опенки качества испытуемых молотков определяли интенсивность изнашивания по формуле:

1 = Лш/О , (13)

где Дп - средний массозый износ молотков;й- наработка дробилки.

Ли «^{Ии-,- В^/П. (14)

Здесь и,,;}-масса нового ¿-го молотка; ы^-масса изношенного 3-го молотка; п-количество испытуемых молотков.

Количественным показателем в этом случае являются относительная износостойкость испытуемых молотков и коэффициент долговечности

С = 1н/13 . (15)

где С-откосительная износостойкость: 1И =1/хи-износостойкость испытуемых молотков; 1Э»1ЛЭ- износостойкость эталонных молотков.

Испытуемые молотки соответствуют требованиям г.о износостойкости при условии С>1. Коэффициент относительной долговечности молотков определяли по формуле:

Рис.5.Прибор для измерения линейного износа молотков

где Ги- площадь износа молотков данного варианта; Гэ- площадь износа эталонных молотков;в - показатель степени(для дробилок закрытого типа з=0,64).

Площадь износа рабочей поверхности молотка равна плсшади криволинейной трапеции. Наиболее точно расчет производится по формуле Симпсона:из выражения:

ГУо +Уп <У1 +Уз - - • +Уп -1) +2 <У2 +У4 • • • +Уп - г ) М1/3, (17)

где Ь-ксличество интервалов; у,- величина линейного износа на каждом интервале.

Для рабочих органов сельскохозяйственных малаш основным критерием является качество получаемой продукции ¡энергетический критерий вляется вспомогательным.С этой целью в программу экспериментальных [сследований были вклвчены вопросы установления влияния износа мо-ютков на качество дробления.Влияние износа молотков на качество ра->оты дробилки оценивалось:крупностью (модулем) размола.содерванием КП8ВИДН0Й фракции.

Крупность всей массы сыпучего материала, как статической сово-упности, оценивали по содержанию в ней фракций (классов) определен-ых размеров, т.е. по гранулометрическому составу, используя ситовой нализ. Ситоеой анализ производили на лабораторном рассезе-встряхи-ателе з течение 20 мин. Операция просеивания считалась законченной, :ли при контрольном просеивании в течение одной минуты количество сериала, прошедшее через сито , не превышало 1% от количества, ос-шшегося на сите.

В рекомендациях и заводских производствах отсутствуют четкие ¡едения о величине допустимого износа молотков, то есть о ресурсе лотков до их перестановки. Как известна износ первой рабочей грани лесообразно допускать до половины ширины молотка.

025 Это состояние характеризует предельный

ресурс молотка до его перестановки. Когда износ в крайней точке рабочей грани превысит величину Ь/2 (больше половины ширины), молоток необходимо переставлять другой рабочей гранью. Ресурс молотка, выражаемый в тоннах переработанного продукта, контролировался по индукционному расходомеру зернового материала типа ИР-51. Ресурс второй грани контролировалась по мини-б.Шаблон для мальной остаточной ширине 6. Остаточная ширина траля остаточной контролировалась при помощи шаблона ины 5 (рис.6). Выступ шаблона сз 25 мм.. вставлялся в

свободное отверстие молотка и производился контроль остаточной ширины б.

Выступ шаблона с 25 мм..вставлялся в свободное отверстие молотка и производился контроль остаточной шрины 5. Перестановка молотка осуществлялась при достижении изношенной части молотка выступа шаблона. Расход электроэнергии контролировали по счетчику активной энергии типа СА4У-И673М.

Для гпределения адекватности математической модели требуется знать ее числовые характеристики.Таких числовых характеристик много: математическое ожидание, дисперсия, критерии согласия и др.

Для сравнения теоретических и практических значений опытов определяли коэффициент корреляции и ошибку аппроксимации. Коэффициент корреляции характеризует степень зависимости теоретических и практических значений. Модуль коэффициента корреляции характеризует степень тесноты зависимости.

В главе "Анализ результатов исследований" представлены результаты производственных экспериментов по определению ресурса рабочей грани молотка, определены коэффициенты относительной долговечности и износостойкости молотков различной конструкции. При работе кормопе-рерабатызающей техники важнейшей характеристикой является качество лйлучэнной продукции. Для дробилок эта характеристика выражается = модуле помола Мп и процентном содеркании пылевидных частиц Ьп. В таблице 2 представлены сравнительные характеристики молотков различной конструкции.

Таблипа 2

Сравнительные характеристики молотков различной конструкции

Показатели Молотки

серийный восстановленный уточнённый экспериментальный

Модуль помола,М„ 1.91 1.94 1.89 1.94

Процент пылевидных 8.1 8.05 8.07 8.03

частиц

Ресурс эабочей гоанк.т 430 455 455 700

Сиедний' износ Дя1. г 44 41.65 41.68 42

Интенсивность изнаши-

вания 1. г/т 0. 1 0, 091 0.091 0.06

Коэф-т относительной

долговечности Кл 4 1 0.29 0,29 0,99

Относительная

износостойкость С 1 1, 05 1.09 1,67

По результатам производственных испытаний были построены графики зависимости: массового износа Дш от наработки О (рис. 7);модуля

юмола М от наработки С1(рис.8);а так/ае динамики износа и изменений юрмы молотка(рис.Э).

2 Рис.7. График зависимости массового износа Дгг. от наработки й серийного молотка:

о

1!» 158

259 зсо

«О

1-теоретическая С'7 кривая; 2-экспери-ментальная кривая

Рис.б. График зависимости модуля помола "Н" от наработки 0:

1-серийный молоток: 2-упрочненкый молоток: 3- экспе-2 т риментальный молоток

Корректность математической модели определяли сравнением ре-льтатов. полученных з производственных условиях, с аналитическими счетами. Ошибка аппроксимации составила 2%, что свидетельствует о рректности математической модели.

В главе "Экономическая оценка результате работай" приведен рас-г технико-экономических показателей эффективности применения мопсов различной конструкции и методики расчета.ресурса молотков.

Главным критерием оценки молотков дробилки была наработка их до здельного состояния и нарушение условия "безударной их работа" . 1 этого нами были получены уравнения, позволявшее прогнозировать )должительность работы молотка на любом сырье. Показатели.входящие ¡его(длительность работы дробилки.параметры и стоимость молотков).

Рис.9. Экспериментальная динамика износа рабочей грани молотка при переработке мягкой пшеницы

ерийный молстск

Ш Ч

Ф экспериментальный молоток

оказывают влияние на энергетические затраты дробилки. Оценку энергозатрат различных дробилок производили Алешин Е.П., Баранов К.Ф., Вслохонский И.И;. , Горячкин В.П.. Гернет М.М. и другие исследователи.

В результате проведенных теоретических экспериментальных исследований получена возможность устанавливать момент необходимости терестановки молотков без визуального осмотра, производить быстрый тересчбт ресурса молотков при работе на различном сырье и рассчитывать необходимое количество ксмплектоз для обработки определенных збьемов различного сырья, выполнять обработку сырья с минимальными затратами электроэнергии. В экономических расчетах использованы результаты сравнительных испытаний при работе дробилок на зерновом материале.

Годовой экономической эффект определяется по формуле:

Э = Э„ 6 +Э„+Ээ. (18)

ж Эое- экономия за счет снижения средств на обслуживание дробилок; »„-экономия за счет снижения затрат на приобретение молоткоз; Э,-жономия за счет снижения затрат на электроэнергию.

Годовой экономический эффект на АО "Лиман" составил 16508940 )ублей, в совхозе "Нива" АО "Ростсельмаш"- 12512550 рублей в ценах 937 года.

ОБЗЩ1Е ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1.Оптимизация ресурса элементов дробилки - одно из главных напылений в повышении эффективности использования дробилок в целом.

2.Формулы, полученные в результате теоретических разработок, станавливают зависимость между свойствами перерабатываемого материла (влажность, твёрдость) и параметрами рабочих органов(форма, раз-еры. материал и окружная скорость молотков). Они могут быть исполь-ованы для расчета ресурса молотков.

3. Теоретические исследования взаимодействия молотка с измельча-мым зерном поззоляют установить наиболее слабые и изнашиваемые частки молотка, наметить способы повышения его ресурса. Расчетный эсурс экспериментального молотка в 1.69 раза превышает ресурс се-лйного.

4.Экспериментальные исследования показывают.что с вероятностью .8 можно использовать для прогнозирования ресурса молотка разрабо-анкую математическую модель.

5.Применение традиционных способов восстановления и упрочнения мотков не позкзает их ресурс.

6.Не качестзс работы к ресурс дробилки значительное влияя» оказывает изменение ширины молотка. Допустимый износ первой рабоче грани - уменьшение ширины молотка вдвое.

т.Использование предложенной конструкции молотка показало е высокую эффективность. Ресурс в сравнении с серийным повышен 5олб чем в.1.5 раза.

8.Эксплуатация молотков с расчетным ресурсом позволяет снизит удельный расход электроэнергии в 1.064 раза.

9. Количество технических обслуживания, связанных с заменой мс лотков, снижено с 52 дс 40.

10.Экономия средств от снижения количества закупаемых молотке составляет 2488000 рублей в ценах 1997 года.

11.Применение разработанных рекомендаций и экспериментальны молотков позволяет снизить трудоемкость обслуживания дробилок н 23?. удельные затраты- на 7%. Годовой экономический эффект от внед рения не АО "Лиман" составил 16508940 рублей, в совхозе "Нива" А "Ростсельмаш"-12512550 рублей в ценах 1997 года.

12. Разработанную методику определения ресурса молотков целесо образно применять для дробилок кормоцехов животноводческих ферм и н предприятиях перерабатывающей промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо

пах:

1. Соловьев А.Н.. Полуян А.Г., Моисеев О.Н.Анализ составлявши математической модели взаимодействия молотка с зерном/Азово-Черном ие-т мех. с.х.-Зерноград, 1995. -8 с.-Рус.-Деп. в ВИНИТИ 02.08.95.. 2377 - В95.

2. Моисеев О.Н., Соловьез А.Н.. Марисов А.Ф.Математическая мо дель взаимодействия молотка с зернам в молотковой дробилке/ Азо зс-Чернэк. ин-т мех.с.х.-Зерноград.1995.-7 с.,библиогр. S назв. рус.- Деп. В ВИНИТИ 27.10.95,К2876- В95.

3.Моисеев О.Н. Полуян А.Г.Исследование износостойкости молотш кормодробилок / Совершенствование технологических процессов.машин \ аппаратов в инженерной сфере АПК:Сб науч тр./АЧГАА-Зерноград, 19Э6.-С. 205-208.

4. Моисеев О.Н.Механические свойства зерна/Азово-Черноморска государств.агроинж. академия.-Зерноград.1997.-5с.-Рус.-Деп. в ВИНИТ! 07.07.S"". Й2221-В97. //¿/¿¿¿С^

Диссертация Моисеева Олега Николаевича защищена на заседании диссертационного совета Д.020.36.01 во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-технологическом институте механизации и электрификации сельского хозяйства 17 декабря 1998г., протокол №71.

Ученый секретарь диссовета Д 020.36.01 канд.техн.наук, ст.науч.сотр.

В.Ф.Хлыстунов

'А30В0-ЧЕРН0М0РСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МОИСЕЕВ ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА МОЛОТКОВ ДРОБИЛОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.20.03. ЭКСПЛУАТАЦИЯ,

ВОССТАНОВЛЕНИЕ И РЕМОНТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель к.т.н. доц. Полуян А.Г. Научный консультант д.т.н. проф. Валуев Н. В.

ЗЕРНОГРАД-1998

СОДЕРЖАНИЕ.

стр.

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

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Молотковые дробилки, перспективы их совершенствования............................................... 8

1.2. Схема устройства дробилки и факторы, влияющие на эффективность её работы .......................... 14

1.3. Рабочие органы дробилки........................... 17

1.4. Процесс износа молотков в свете литературных источников........................................ 22

1.5. Задачи исследований............................... 33

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛОТКА ДРОБИЛКИ С ЗЕРНОМ.

2.1. Теоретические предпосылки процесса взаимодействия молотка дробилки с зерном......................... 34

2.2. Силы и напряжения ударного контактного взаимодействия молотка с зерном......................... 37

2.3. Определение скорости относительного движения зерна

по рабочей поверхности молотка................... 40

2.4. Определение силовых и кинематических характеристик длительного скольжения зерна по рабочей поверхности молотка.......................................... 44

2.5. Алгоритм расчета изменения геометрических параметров молотка в процессе его износа. ................ 48

2.6. Определение оптимальных конструктивных параметров молотка дробилки.................................. 51

2.7. Физико-механические свойства перерабатываемого материала......................................... 55

2.8. Теоретическое прогнозирование износа рабочей поверхности молотка при взаимодействии с зерном. ... 58

2.9. Сравнение теоретических характеристик существующих

конструкций молотков............................... 64

Выводы по главе..................................... 66

3. ОБЩАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа исследований............................. 68

3.2. Методика проведения эксперимента................... 69

3.3. Точность измерений................................. 76

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Характеристикам анализ данных, полученных при

изучении динамики износа молотков ................ 78

4.2. Проверка адекватности математической модели

результатам эксперимента........................... 87

Выводы по главе.................................... 89

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

5.1. Факторы, определяющие экономическую эффективность работы молотков дробилки........................... 90

5.2. Методика инженерного расчета молотков дробилки.....91

Выводы по главе.................................... 94

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ........................... 95

Литература.

Приложения.

ВВЕДЕНИЕ.

Научно обоснованная система ведения перерабатывающей отрасли редставляет собой комплекс взаимоувязанных организационно-эконо-ических, агрономических и инженерно-технологических мероприятий, существление5 которых обеспечивает стабилизацию и дальнейшее раз-;итие производства конкурентоспособной продукции.

С переходом к рыночной экономике реформируются специализация [редприятий, финансово-кредитный и экономический механизм хозяйс-ъования.Принят целый пакет новых законов и постановлений, регла-юнтирующих производственную и экономическую деятельность. Однако зсе эти наметившиеся тенденции в пользу товаропроизводителей и населения пока не обеспечивают стабилизацию развития перерабатывающего производства.

В последние годы практически все перерабатывающие предприятия триватизированы в акционерные общества открытого и закрытого Титов, а также организованы новые средние и малые предприятия - общества с ограниченной ответственностью.

Однако оборудование большинства предприятий морально и физически устарело и не соответствует современным техническим и санитарным требованиям. Около 25% техники эксплуатируется свыше 10 лет. Это приводит к тому, что на многих предприятиях доля ручного труда составляет 40-60%. Неудовлетворительное состояние технической оснащённости кормопроизводства в сочетании с невысоким его организационным уровнем являются основными причинами снижения питательной ценности кормов на 35-45%.

В связи с этим проблема производства кормов должна решаться на основе применения прогрессивных машинных технологий, многофункциональной техники и современного оборудования для производства высококачественных экологически безопасных кормов, повышения их протеиновой и энергетической питательности.

В настоящее время эффективность технологического оборудования не удовлетворяет требованиям производства. Технологи и конструкторы, проектировщики и работники предприятий изыскивают возможности повышения эффективности использования оборудования. В этом поиске каждый из специалистов идёт своим путём, в результате чего всякий раз решается важная, но частная задача.

В ближайшие годы в условиях экономического кризиса перерабатывающая промышленность по-прежнему будет испытывать дефицит в сельскохозяйственном сырье. Для успешной работы перерабатывающей

в ! £

промышленности необходима планомерная подготовка и переподготовка кадров, восстановление и модернизация предприятий с внедрением передовых отечественных и зарубежных технологий. Повышение уровня комплексной механизации, применение прогрессивных технологий и новой техники должны обеспечить значительное сокращение затрат труда и средств на производство продукции.

Анализ показал, что дефицит силосно-сенажного рационов кормления достигает по перевариваемому протеину 15-28%, недостаточно также фосфора, кальция, меди, цинка, марганца, кобальта, йода. Компенсировать дефицит рационов можно за слет использования комбикормов в виде комплексных добавок. Установлено, что использование комбикормов, балансирующих рационы по дефицитным питательным веществам, способствует повышению продуктивности животных на 7-18%, увеличению поедаемости кормов, снижению затрат кормов па единицу продукции на 6-15% и эксплуатационных - на 40-50%.

Молотковые дробилки используются в 90% всех технологических линий по приготовлению концентрированных и комбинированных кормов. Они наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к измельчающим машинам и составляют самостоятельную группу высокоскоростных машин ударного действия.Исходя из этого, в качестве объекта исследований принимаем молотковую дробилку.

Процессы дробления и измельчения широко используются во многих отраслях народного хозяйства. Они оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели производства и качество готовых изделий и сырья. Однако несмотря на все возрастающее значение этих процессов их теория разработана в недостаточной мере, а многочисленные результаты экспериментальных исследований почти не обобщены и неизвестны широкому кругу специалистов, занятых конструированием и эксплуатацией измельчающего оборудования.

Состояние теории устройств, используемых для измельчения, таково, что она не дает возможности определить, насколько реальны полученные результаты. Кроме того, описываемые результаты, за редким исключением, были получены на установках, по своим техническим характеристикам сильно отличающимся от подобных измельчителей промышленного типа.

Процесс измельчения исследуется очень давно ,однако до сих пор нет общей теории взаимодействия молотка с зерном.Отсутствие такой теории затрудняет обобщение экспериментальных данных .направленных на выявление сложных зависимостей между факторами определяющими результат измельчения.Отсутствует системный подход к

изучению процесса дробления, включающего,с одной стороны,измельчающее устройство - с другой - зерно.В результате чего исследователи часто приходят к противоречивым мнениям относительно влияния тех или иных факторов на эффективность измельчения и предлагают различные пути усовершенствования машин.

Из опыта работы предприятий известно, что минимальный ресурс имеют молотки. По разным данным [71,119] срок службы молотков, в зависимости от перерабатываемого продукта, составляет от 72 до 300 часов. Ресурс других органов на 1-2 порядка выше.Таким образом, самым слабым звеном в дробилке является молоток. Не эффективность использования молотков выражается в выбраковке молотков, пригодных к работе, или использованию изношенных молотков.Это приводит к не-обосновано большому количеству техобслуживаний по замене молотков (около 50 обслуживаний в год), повышенному расходу оборотных средств на закупку молотков и на оплату электроэнергии. Повышение надежности работы молотков в сочетании с простотой и надежностью дробилки в целом сделало бы этот тип измельчителей одним из совершенных. Указанные обстоятельства и послужили основанием для выбора молотков кормодробилок в качестве предмета исследования.

Эффективность использования молотков заключается в наработке до предельного состояния.Исходя из вышеуказанного цель исследований - повышение эффективности функционирования молотковых дробилок путём прогнозирования ресурса молотков.

В данной работе даны: анализ состояния вопроса по теме; обоснование предельного состояния молотков; разработка модели взаимодействия рабочей грани молотка с зерном.

По результатам проведённых исследований разработана экспериментальная конструкция молотка, повышающая ресурс и эффективность эксплуатации дробилки.

Разработанная методика расчёта оптимального ресурса молотков и экспериментальная конструкция молотка апробированы в АО "Лиман" и совхозе "Нива" АО "Ростсельмаш".

На защиту выносятся следующие научные положения диссертации:

1.Математическая модель взаимодействия молотка с зерном.

2.Методика расчёта оптимального ресурса молотков.

3. Прогнозирование ресурса различных конструкций молотков.

4. Результаты теоретического прогнозирования ресурса и сравнение его с действительным. 1

5.Технико-экономические показатели разработанной методики расчёта ресурса молотков.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Молотковые дробилки, перспективы их совершенствования.

При подготовке кормов к скармливанию или консервированию и особенно при приготовлении полнорационных или простых кормовых смесей, кормовые компоненты - зерно, грубые и зеленые корма всех видов, корнеплоды измельчают в зависимости от требований наиболее полного усваивания данного корма животными.

Место измельчения в общем технологическом процессе переработки и приготовления кормов обусловлено в основном условиями минимума суммарных потерь питательных веществ и затрат энергии. Каждому виду корма с резко отличающимися физико-механическими свойствами и требуемой степенью измельчения или специальной обработки соответствуют определенные рабочие органы измельчителей.

Выбор измельчающего устройства диктуется производственными запросами :

1. Универсальность, в смысле возможности измельчения всех видов кормов любой влажности.

2. Возможность регулирования степени измельчения в широких пределах (от грубого до тонкого помола).

3. Простота привода.

Наиболее просто и в тоже время содержательно, на наш взгляд, подразделены измельчающие машины ударного действия Клушанцевым Б. В. и Косаревым А.И. [47]. Совокупность этих машин представлена шестью основными группами, классифицированными по конструкции и типу рабочих органов : крестовые, стержневые, барабанные, тарельчатые, роторные и молотковые.

Наиболее широкое применение получили молотковые измельчители. Они наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к измельчающим машинам и составляют самостоятельную группу высокоскоростных машин ударного действия. На рис.1.1 представлены конструктивно-технологические схемы молотковых дробилок.

Впервые в мире молотковая дробилка была запатентована в США (1842 г.). Она имела ротор с закрепленными на нем металлическими болтами.

В Европе молотковая дробилка ударного действия была зарегистрирована патентным бюро в Лондоне (1860 г.). Впоследствии " аналогичные машины стали широко применяться для измельчения промышлен-

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МОЛОТКОВЫХ ДРОБИЛОК

Рис.1.1

а - открытого типа; б - закрытого типа; в,г - двухстадийные; д - с жестким креплением рабочих органов; е ~ горизонтальная; ж -с замкнутым воздушным потоком; з - с шарнирным креплением рабочих органов.

ных и сельскохозяйственных материалов в России (1899 г.); Швейцарии (1907 г.); Франции (1909 г.).

Широкая область их применения обуславливается : конструктивными достоинствами - просты, технологичны, и дешевы в изготовлении; технологическими достоинствами :

1. универсальностью, то есть возможностью дробить разные материалы с незначительной переделкой (замена молотков, сит, изменение числа оборотов) или даже без переделки;

2. возможностью широкого диапазона дробления,

3. незначительностью нагрева измельченного продукта и возможностью измельчения кормов повышенной влажности.

Наряду с этим молотковым дробилкам свойственны существенные недостатки : высокая энергоемкость, неравномерность гранулометрического состава получаемого продукта с повышенным содержанием переизмельчённых частиц, интенсивный износ рабочих органов.

Эти недостатки молотковых дробилок объясняются тем, что не полностью изучен технологический процесс измельчения. Этот процесс исследуется уже продолжительное время, однако до сих пор нет общей теории технологического процесса измельчения зерна в молотковой дробилке. Отсутствие такой теории затрудняет обобщение многочисленных экспериментальных исследований, направленных на выявление сложных зависимостей между факторами, определяющими результаты измельчения.

Из-за этого исследователи часто приходят к противоречивым мнениям относительно влияния тех или иных факторов на эффективность измельчения и предлагают различные пути усовершенствования машин. Горячкин В.П. неоднократно отмечал недостаточность обоснований при выборе формы рабочих органов сельскохозяйственных машин и важность теоретических исследований : ... "всякая теория, какова бы она не была, дает по крайней мере основные величины, которые управляют процессом, а последующие опыты дадут указания, в каком направлении должна быть исправлена теория" [26].

Исходя из того, что несмотря на все свои преимущества, молотковые дробилки имеют существенные недостатки, возникает вопрос о целесообразности их применения и изготовления. Если дробилки очень энергоемки и имеют интенсивный износ рабочих органов, не лучше бы перейти на другой вид машин ? Ответ на этот вопрос дают мировые фирмы, в частности СРМ (Япония), лидер в изготовлении молотковых кормодробилок.

Начиная с конца 40-х годов, СРМ становится всемирным лидером по производству оборудования для кормопроизводства с представительствами в США, Нидерландах, Сингапуре, Бразилии и других крупных странах, занимающихся животноводством.

В 1974 году СРМ стало филиалом "Jndersoll-Rard" широко известной международной машиностроительной компании.

Программа расширения СРМ в 1987 году привела к приобретению "Roskamp company", лидера в области производства дробилок и мельниц [71]. Сегодня фирмы взамен старых моделей дробилок, типа GX ; "Опоэ", переходят к выпуску новых, более совершенных моделей.

Одна из таких моделей - НМС -высокоскоростная молотковая дробилка (рис.1.2).Эта дробилка предназначена для комбикормовых заво-

дов. Она дробит не только кукурузу и злаковые культуры, но и такие материалы, как соево-бобовые культуры и мясо-костные продукты.

ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ МОЛОТКОВАЯ ДРОБИЛКА НМС.

Рис. 1.2

Внедрение модели НМС в производство связано с рядом ее достоинств: компактность дробилки при большой мощности;высокая надёжность и прочность конструкции; простота в обслуживании и эксплуатации; пониженный уровень шума и вибрации, благодаря широкому использованию антивибрационной резины.

Данный тип имеет несколько модернизаций : НМС-3; НМС-5; НМС-8; НМС-10; НМС-12. Вторая модель НМЕ (рис. 1.3). Основные технические новшества на сегодняшний день являются коммерческими тайнами фирмы. Для очень крупных предприятий фирма предлагает дробилку типа "Champion" (рис.1.4). Эта молотковая дробилка имеет 18 мо-деф�