автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование конструктивных и технологических параметров молотковой дробилки зерна с колосниковой решеткой

На правах рукописи

Халтурин Валерий Семёнович

' ' г

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА С КОЛОСНИКОВОЙ РЕШЁТКОЙ

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киров-1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого.

Научный руководитель: член-корреспондент РАСХН,

доктор технических наук, профессор В.А. Сысуев

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

Ведущее предприятие : Кировская государственная

зональная машиноиспытательная станция

Защита состоится 18 декабря 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 020.93.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого по адресу: 610007, Киров, ул. Ленина 166 А, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого.

Автореферат разослан № 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.Р. Алёшкин; кандидат технических наук, доцент Б.И. Горбунов

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В структуре себестоимости производства мяса, молока и других продуктов животноводства корма составляют более 60 %. Значительную часть кормов, предназначенных для животных и птицы, составляет фуражное зерно, использовать которое необходимо только в переработанном виде. В рационах кормления свиней доля концентрированных кормов по питательным веществам составляет 80...85 %. В настоящее время особенно актуальна необходимость ускоренного развития производства комбикормов непосредственно в хозяйствах и на межхозяйственных предприятиях.

Одной из основных операций в технологическом процессе приготовления комбикормов и самой энергоёмкой является измельчение.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что разработка и совершенствование малоэнергоёмких, недорогих и надёжных технических средств для измельчения фуражного зерна является важной и актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (1991...1996 гг.) по программе 05.Р.02 "Механизация и автоматизация животноводства" (договор № 19 от 22.03.91 с РАСХН, номер государственной регистрации 01910038777).

Цель исследований. Совершенствование конструктивных и технологических параметров молотковой дробилки с колосниковой решёткой для обеспечения возможности измельчения зерна при минимальных энергозатратах с качеством, соответствующем зоотехническим требованиям для всех видов сельскохозяйственных животных.

Объект исследования. Дробилка фуражного зерна с колосниковой решёткой, состоящей из параллельных элементов квадратного сечения, поворачиваемых вокруг продольной оси для изменения степени измельчения с помощью регулировочного механизма.

Научная новизна. Для повышения эффективности измельчения в дробилке с колосниковой решёткой предложены молотки

блочной конструкции. Выведены теоретические зависимости для определения собственной частоты колебаний ротора с молотками блочной конструкции и размеров молотка, исключающих передачу ударных импульсов на ротор дробилки. На основе анализа рассчитанных амплитудно-частотных характеристик ротора доказаны преимущества молотков блочной конструкции перед пластинчатыми прямоугольными. С использованием теории планирования эксперимента получены математические модели процесса измельчения зерна, позволившие определить оптимальные режимы работы дробилки. Разработаны рекомендации по настройке дробилки для получения минимальных энергозатрат. Подтверждена возможность использования молотковой дробилки с колосниковой решёткой в линии приготовления концентрированных кормов кормоцеха.

Новизна предложенных разработок защищена патентом Российской Федерации.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. По результатам теоретических и экспериментальных исследований усовершенствована дробилка фуражного зерна с колосниковой решёткой. Обоснованы оптимальные режимы работы для получения дерти необходимого по зоотехническим требованиям качества для разных групп сельскохозяйственных животных при минимальных энергозатратах. Разработаны рекомендации по настройке дробилки для получения минимальных энергозатрат. В результате усовершенствования дробилки удельные энергозатраты на единицу степени измельчения снижены на 14,5...29,7 % в зависимости от необходимой степени измельчения.

Результаты исследований переданы Слободскому ОАО "Машиностроительный завод", выпускающему дробилки фуражного зерна. Дробилка с колосниковой решёткой внедрена в колхозе "Красная Талица" Слободского района Кировской области. Кормоцех с линией приготовления концентрированных кормов, включающей дробилку с колосниковой решёткой, внедрён в колхозе "Заря" Слободского района Кировской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях Вятской государственной сельскохозяйственной академии

(1996...1997 гг.), ГОСНИТИ (1996 г.), Северо-Восточного НМЦ (1996... 1998гг.), ВНИИМЖ (1997г.), СЗНИИМЭСХ (1998 г.).

Защищаемые положения:

- молотковая дробилка с колосниковой решёткой, установленная в линии приготовления концентрированных кормов кормоцеха;

- конструктивная схема молотка блочной конструкции;

- теоретические зависимости для определения собственной частоты колебаний ротора с молотками блочной конструкции и размеров молотка, исключающих передачу ударных импульсов на ротор дробилки;

- амплитудно-частотные характеристики ротора с молотками блочной конструкции и пластинчатыми прямоугольными молотками;

- математические модели рабочего процесса дробилки, позволившие определить оптимальные конструктивно - технологические параметры;

- результаты сравнительных испытаний усовершенствованного и базового вариантов дробилки.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 15 научных статьях, в том числе одном патенте.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использован^ ной литературы из 106 наименований, в том числе 4 зарубежных, и приложений. Работа содержит 196 страниц, 68 рисунков, 27 таблиц и 15 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследования" представлен обзор литературы по физико-механическим свойствам зерна, конструктивно-технологическим схемам молотковых дробилок, научных работ по исследованиям процесса измельчения зерна в молотковых дробилках и предложений по повышению эффективности измельчения.

Изучением физико-механических свойств зерна занимались К.А. Зворыкин, С.А. Чистов, П.П. Тарутин, Н.М. Орлов, В.Я. Гиршсон, Я.Н. Куприц, С.Д. Хусид, C.B. Мельников и др.

Большой вклад в развитие теории измельчения зерна внесли В.П. Горячкин, И.В. Макаров, С.Д. Хусид, C.B. Мельников, В.И. Сыроватка, В.Р. Алёшкин, А.Г. Филиппова, Н.Ф. Баранов, В.И. Ломов и др.

На основании обзора работ по изучению физико - механических свойств зерна был сделан вывод, что показатели рабочего процесса измельчителей существенно зависят от свойств зерна, изменяющихся в широких пределах в зависимости от культуры, сорта, почвенно-климатических условий. Для корректного сравнения показателей рабочего процесса разных измельчителей зерна необходимы испытания в одинаковых условиях на зерне одной партии.

Анализ существующих конструктивно-технологических схем молотковых дробилок показал, что молотковые дробилки с колосниковой решёткой заслуживают особого интереса как обеспечивающие низкие энергозатраты и высокую надёжность.

На основе проведённого обзора и в соответствии с целью исследований поставлены следующие задачи:

-определить направление совершенствования конструкции дробилок с колосниковой решёткой и разработать конструктивное решение для улучшения показателей их рабочего процесса;

-теоретически обосновать применение предложенного конструктивного решения;

-оптимизировать конструктивные и технологические параметры дробилки по результатам проведённых экспериментов с применением методики планирования многофакторного эксперимента;

-определить возможность измельчения зерна повышенной влажности;

-оценить эффективность работы усовершенствованной дробилки.

Во второй главе "Теоретические предпосылки к обоснованию конструкции и оптимизации параметров молоткового ротора" приведено обоснование выбора объекта исследований и кон-

структивного решения молотка блочной конструкции для его усовершенствования, выведены выражения для расчёта размеров молотка блочной конструкции, "уравновешенного на удар" и для определения собственной частоты колебаний ротора, проведён расчёт и анализ амплитудно-частотных характеристик ротора, оснащённого молотками блочной конструкции и пластинчатыми прямоугольными молотками.

В лаборатории механизации животноводства НИИСХ Северо-Востока разработаны дробилки фуражного зерна с колосниковой решёткой, состоящей из параллельных элементов квадратного сечения, поворачиваемых вокруг продольной оси с помощью регулировочного механизма для изменения степени измельчения. Недостатком этих дробилок является содержание в готовом продукте целых зёрен, зачастую превышающее допустимое по зоотехническим нормам.

В качестве объекта исследований была выбрана дробилка, конструктивно-технологическая схема которой представлена на рис. 1.

Для повышения эффективности измельчения предложен молоток блочной конструкции, конструктивная схема которого приведена на рис. 2.

Для обеспечения уравновешенности на удар молотка блочной конструкции проведён расчёт его размеров. Приняв ряд допущений, применив метод кинетостатики и рассмотрев ударное воздействие силой Р на систему (рис. 3), включающую ротор 3 и расположенные на нем несущие молотки 1 с дополнительными молотками 2, получили систему уравнений:

\м^+м^-к-ок+Ф2х-оо2-гФ1х-ос1=0.

Выполнив ряд преобразований, использовав принцип Даламбера отдельно для молотка 2 и приравняв Д0 к нулю, получили уело-

Рис. 1. Конструктивно - технологическая схема дробилки: 1-корпус; 2-камера дробильная; 3-ротор молотковый; 4-секция колосниковой решётки; 5-дека рифленая; 6-рама; 7-шнек выгрузной; 8-бункер загрузочный; 9-фильтр для сброса избыточного давления. Условные обозначения: - - исходный продукт;

■м--- готовый продукт; -««-о — воздух

И

I

/

/

1

Рис 2. Молоток блочной конструкции: 1-несущий молоток; 2-дополнительные молотки; 3-втулка; 4-ось

Рис.3. Расчетная схема молотка блочной конструкции:

1 - молоток несущий; 2 - молоток дополнительный; 3 - ротор дробилки; е>] - угловая скорость ротора; щ - угловая скорость вращения монотка 2 вокруг оси Oí ai — длина молотка 1; bi - ширина молотка 1; Ьг - ширина молотка 2; О - ось подвеса молотка 1 на роторе дробилки; 02 - ось подвеса молотка 2; С| - центр тяжести молотка 1; R0 - реакция в шарнире О; Ф^ - проекции главного вектора для молотка 1 на оси х и у; Ф2х,Ф2у - проекции главного вектора для молотка 2 на оси гну; Mi% М^® - главный момент для молотка 1 и молотка 2 соответственно; F - внешняя сила

вие уравновешенности молотка блочной конструкции на удар:

Jl0 = m^-0Cx-002, , (2)

где JXQ - момент инерции молотка 1 относительно оси его подвеса на роторе - точки О;

тх - масса молотка 1.

Получена теоретическая зависимость для определения собственной частоты колебаний ротора с молотками блочной конструкции:

где со{- угловая скорость ротора, рад/с;

М2, Му масса несущего и дополнительных молотков, кг; гх - радиус осей подвеса несущих молотков на роторе, м; г2- расстояние между осями подвеса несущего и дополнительных молотков, м;

/?2- расстояние от оси подвеса несущего молотка до центра его масс, м;

12- момент инерции несущего молотка относительно оси

подвеса на роторе.

Для сравнения роторов, оснащённых молотками блочной конструкции и пластинчатыми прямоугольными молотками, были рассчитаны амплитудно-частотные характеристики для вариантов с приведёнными типами молотков. Поскольку результаты опытов показали, что при работе дробилки дополнительные молотки не вращаются относительно несущих и проворачиваются только при пусках и остановках дробилки, пакеты молотков, расположенные на общей оси, для уменьшения числа степеней свободы системы считали одним твёрдым телом, шарнирно закреплённом на роторе. Действием сил сопротивления и тяжести в силу их малости пренебрегли. Для получения дифференциальных уравнений движения системы воспользовались уравнениями Лагранжа второго рода, представленными в матричной форме:

где Т - кинетическая энергия системы; \0\ - вектор-столбец обобщённых сил; ср - отклонение ротора от установившегося движения и молотков от радиального направления.

(3)

(4)

После ряда преобразований и учитывая данные, полученные при экспериментальных исследованиях дробилки, получили решение:

(5)

где |Т] - матрица амплитудно-частотных характеристик;

вектор-столбец, содержащий постоянные величины амплитудных значений внешних воздействий.

Используя полученное выражение, были рассчитаны амплитудно-частотные характеристики, приведённые на рис. 4. По оси ординат отложено К. - отношение амплитуды вынужденных колебаний соответствующей обобщенной координаты <р. к ее статическому перемещению от приложения тех же обобщенных воздействий. Вертикальные асимптоты на рис. 4 соответствуют собственным частотам колебаний системы. Механическая система, имеющая пять степеней свободы, имеет в данном случае три различные собственные частоты. Вторая резонансная частота соответствует неограниченному возрастанию амплитуды только молотков ротора остается величиной малой). Сравнение двух

вариантов роторов свидетельствует об увеличении собственных частот при смещении масс молотков к их рабочей части, а также при уменьшении суммарной массы пакетов молотков и при увеличении угловой скорости вращения ротора. Если в камеру измельчения попадёт твердый предмет, то частота внешнего воздействия на молотки будет соответствовать частоте вращения ротора, то есть диапазону р-260...280 рад/с. В данной области амплитуда колебаний всех обобщенных координат меньше у ротора с молотками блочной конструкции. Это снижает износ на осях молотков, ремней привода ротора и других элементов конструкции.

Таким образом, анализ амплитудно-частотных характеристик позволяет признать преимущество ротора с молотками блочной конструкции.

(?2

6

К; . 4

2

О

-2

-4

-б

I ) / / 1 V 1/

у / / У \ //

А ---— - / / /

0 4С - --- / 6С / 0 \ Р.Ра д/с 800

1 к 1 / 1 \ / ¡1 /

1 1 к а

а

6 К: 4

О -2

-4 -6

/ / / /! \ /I

✓ / / 1

¡1 Г --- —— --- - — 1 1 /

Г )0 2( )0 04^ 4( \ / ) зад^с500

\ \ 1 1 1 1 /

\( 1 1 1 1 ■ / /

Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики системы с молотками: а) блочной конструкции; б) пластинчатыми прямоугольными для: — - угла отклонения ротораф);

— — • - угла отклонения молотка, к которому приложено внешнее воздействие фд;

— • — - угла отклонения молотка, к которому не приложено внешнее воздействие

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" изложена программа экспериментальных исследований, выбраны критерии оптимизации, описаны приборы и аппаратура, использованные при исследованиях, приведена методика определения физико-механических и технологических характеристик измельчаемого материала, проведения экспериментов и краткая методика статистической обработки опытных данных и оптимизации рабочего процесса.

В четвёртой главе "Результаты экспериментальных исследований молотковой дробилки зерна" представлены основные результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Испытания дробилок и поточной линии концентрированных кормов кормоцеха с ресурсосберегающей технологией приготовления кормосмесей КРС (крупного рогатого скота), проведённые Кировской МИС совместно с нами, показали, что дробилки с колосниковой решёткой обеспечивают измельчение зерна с модулем помола 1,5...2,2 мм, остатком на сите 0 3 мм 5,1 ...28,9% при удельных энергозатратах 5,1...11,1 кВт-ч/т в зависимости от свойств измельчаемого зерна и применяемых настроек. Для линии приготовления концентрированных кормов модуль помола 1,8...2,0 мм, остаток на сите 0 3 мм 12,1...17,5% при удельных энергозатратах 7,3.. .8,5 кВт-ч/т.

Для оценки влияния угла установки дополнительных молотков относительно несущих Р (рис.2) при застопоренных дополнительных молотках на показатели рабочего процесса дробилки были проведены исследования, в результате которых сделан вывод о незначительном влиянии угла |3, что позволило рекомендовать свободную установку дополнительных молотков (без стопоре-ния), так как она позволяет обеспечить равномерный износ дополнительных молотков без необходимости перестановки последних при эксплуатации дробилки.

Для оценки влияния влажности зерна на показатели рабочего процесса дробилки были проведены исследования, по результатам которых построены графики, приведённые на рис. 5. В результате статистической обработки опытных данных предложены рекомендуемые варианты настройки дробилки при измельчении

зерна повышенной влажности и сделан вывод: готовый продукт, удовлетворяющий по качеству зоотехническим требованиям для КРС (взрослых животных), можно получить при влажности зерна до 22,3%; свиноматок и хряков-производителей, взрослых овец и молодняка старше 4 мес. - до 16,8%, молодняка КРС в возрасте 6... 18 мес., свиней на откорме (кроме беконного откорма) - до 15,7%.

I 6 > о

14 16 18 20 Х6,% 24 а

70

ъ,

%

40

14 16

18 20 Х«,% 24 б

Уз

%

18 20 Х«,0/» 24 в

1.4

У4,

т/ч 0.8

0.4

0

14

16

18 20 Хб,% 24 г

Рис. 5. Зависимости удельных энергозатрат У](а), остатка на сите 0 3 мм У? (б), содержания целых зёрен Уз(в), пропускной способности Уд(г) от влажности зерна Хб при угле установки колосников Х| ♦ - 0°; ■ - 22,5°; ▲ - 45°

Для оценки частотных характеристик ротора по полученным при экспериментальных исследованиях дробилки осциллограммам крутящего момента на вале ротора и подачи измельчённого материала были построены графики нормированной спектральной плотности, по которым был сделать вывод, что спектр частот колебаний ротора дробилки находится в диапазоне 0...4,5 Гц для крутящего момента на вале ротора и 0...2 Гц для подачи измельчённого материала, что значительно меньше собственных частот

колебаний системы, определённых по выражению (3) и расчётной амплитудно-частотной характеристике (рис. 4а), то есть резонансные колебания в системе не возникнут.

Для более детального исследования рабочего процесса дробилки были реализованы многофакторные эксперименты: полуреплика полного факторного эксперимента 25"1 и план Бокса-Бенкина для трёх факторов. В результате получены математические модели по матрице плана 25"1:

У,=5,780+0,679-ХгО,909-Х2+0,667-Хз+0,448-Х5+0,815-ХгХ2+ +0,276-ХгХ4+0,249-ХЗ-Х4+0,289'Х4-Х5 ; (6)

У2=9,940-4,242-Х,+3,225-Хг2,110-Х3-1,145 ■-Х4+0,449-Х5-3,210-ХгХ2+1,481-ХгХз+0,301-ХгХ4-1,563-Х2-Хз-0,321-ХгХ4+ 0,263-ХгХ5-0,058-Хз'Х4+0,560-Хз-Х5+1,676-Х4-Х5 ; (7)

У3=0,691 -0,23 8-Х,+0,206-Хг0,051 -Х3-0,23 5 •Х4+0,269-Х5-

-0,199-Х,-Х2+0,020-Х,-Хз+0Д32-Х,-Х4-0,025-Х,Х5+0,035-ХГХ3-

-0,157-Х2-Х4+0,0б8-Х2-Х5-0,049-Хз-Х4+0!118-Хз-Х5 ; (8)

У4=0,648-0,206-Х,+0,212-Хг0,140-Х3-0,03 5-Х4-0,042-Х5-

-0,178-Х,-Х2+0,060-Х,-Х3+0(044-Х,-Х^О,0б2-ХгХ3-

-0,041.-Х2-Х4-0,023•Х2-Х5+0,039-Хз-Х5+0,038'Х4-Х5 , (9)

где X] - угол установки колосников; Х2 - направление вращения ротора; Х3 - окружная скорость молотков, м/с; Х4 - угол охвата дробильной камеры секциями колосников; Х5 - тип молотков (пластинчатые прямоугольной формы или блочной конструкции); У] - удельные энергозатраты, кВт-ч/(т-ед.ст.изм); У2 - остаток на сите 0 3 мм (в процентах по массе); У3 - содержание в готовом продукте целых зёрен (в процентах по массе); У4 - пропускная способность дробилки (т/ч) и по плану Бокса-Бенкина:

У,=8,388+1,964-Х,+1,698-Х3-0,596-Х, Х3+1,085 Х,-Х4-0,772 Х42 ; (10)

У2=14,336 -14,476-Х,- 7,685-Х3+2,803-Х4+4,198-ХгХз+ +5,772-Х,2++3,307-Х32+1,851-Х42 ;

(П)

УЗ=0,283-01275'ХГ0]223Х3+0,225-Х4+0,185-Х,-Хз+0,162-Хг ; (12)

Y4=0,464-0,317-Х1-0,235Хз+0Д63-ХгХз-0,091-Xi-X4+0,059-Х3-Х4+

+0,158-Xi2+0,084-X42 . (13)

Оптимизацию конструктивно-технологических параметров дробилки проводили методом двумерных сечений, решая компромиссную задачу по обеспечению минимальных удельных энергозатрат на единицу степени измельчения при выполнении зоотехнических требований по качеству готового продукта (содержанию в готовом продукте остатка на сите 0 3 мм и целых зёрен). При оптимизации было проанализировано около 100 двумерных сечений поверхностей отклика, построенных с помощью программы Statgrafics 2.1 for Windows на персональном компьютере, в результате чего определены оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки:

- молотки блочной конструкции (Х5=-1);

- угол охвата дробильной камеры секциями колосников Х4=60°;

- окружная скорость молотков в зависимости от свойств зерна принимает оптимальное значение от 65 до 75 м/с.

В пятой главе "Эффективность работы усовершенствованной дробилки зерна" проведено сравнение показателей рабочего процесса базового варианта дробилки (с прямоугольными пластинчатыми молотками, углом охвата дробильной камеры секциями колосников 180°, прямом вращении ротора) и усовершенствованного (с молотками блочной конструкции, углом охвата дробильной камеры секциями колосников 60°, прямом вращении ротора). Сравнение проводилось по энергетическим и качественным показателям.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих конструкций дробилок и проведённых научных исследований показал, что применение безрешётных молотковых дробилок при измельчении зерновых кормов является наиболее перспективным. Безрешётная дробилка с ко-

лосниковой решёткой обеспечивает меньшую энергоёмкость и более высокую надёжность процесса измельчения,

2. Для повышения эффективности измельчения зерна в молотковых дробилках с колосниковой решёткой разработана конструктивная схема молотка блочной конструкции.

3. Установлена аналитическая зависимость собственной частоты колебаний ротора с молотками блочной конструкции, состоящими из несущего и вращающихся дополнительных молотков, шарнирно закреплённых на конце несущего, от угловой скорости ротора, их размеров и массы.

Для исключения передачи ударных импульсов от молотков блочной конструкции на ротор дробилки получена зависимость для определения размеров молотка.

4. Рассчитаны амплитудно-частотные характеристики ротора дробилки, доказывающие уменьшение амплитуды колебаний при применении молотков блочной конструкции по сравнению с пластинчатыми прямоугольными молотками на рабочих режимах дробилки, что приводит к снижению энергозатрат.

5. Получены математические модели и определены оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки; тип молотков -блочной конструкции; угол охвата дробильной камеры секциями колосников - 60°;. окружная скорость молотков - 65...75 м/с в зависимости от физико-механических свойств измельчаемого материала.

Дробилка обеспечивает возможность измельчения зерна повышенной влажности (до 22%) с качеством готового продукта, соответствующим зоотехническим требованиям для КРС (взрослых животных) и взрослой птицы, до 16,8% - для свиноматок, хряков-производителей, взрослых овец и молодняка и до 15,7% -для свиней на откорме (кроме беконного откорма).

6. Метод регулирования качества готового продукта изменением направления вращения ротора, хотя и является более оперативным по сравнению с изменением угла установки колосников, обеспечивает качество готового продукта, удовлетворяющее зоотехническим требованиям только для некоторых групп сельскохозяйственных животных: молодняка КРС в возрасте 6...18 мес., взрослых свиней (не беконного откорма), взрослых овец и

молодняка старше 4 мес., утят в возрасте 21,..55 дней, гусят в возрасте 21 ...65 дней, индюшат в возрасте 61... 120 дней;

7. Усовершенствованная дробилка закрытого типа с колосниковой решёткой, оснащённая молотками блочной конструкции, при оптимальных значениях конструктивно-технологических параметров обеспечивает удельные энергозатраты 2,00...4,99 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.) и по сравнению с базовым вариантом позволяет уменьшить: удельные энергозатраты - на 14,5...29,7 %, остаток на сите 0 3 мм - на 14,4...33,6 %, содержание целых зёрен в готовом продукте - на 68,9. ..94 % в зависимости от угла установки колосников, тем самым обеспечивая возможность измельчения фуражного зерна в соответствии с зоотехническими требованиями для всех групп сельскохозяйственных животных.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Методическое пособие по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части Российской Федерации / Му-хамадьяров Ф.Ф., Фигурин В.А., Ашихмин В.П., Коробицин C.JL, Кокурин Т.П., Халтурин B.C., Кодочигова И.В., Плетенёв H.A. -Киров, 1997.-62 с.

2. Патент 2088127 РФ, МКИ6 А 23 № 17100. Кормоцех для приготовления рассыпных кормосмесей / В.А. Сысуев, H.A. Чер-нятьев, В.Д. Сапожников, B.C. Халтурин, A.B. Алешкин (РФ). -7с.: ил.

3. Савиных П.А., Алёшкин A.B. Халтурин B.C. Исследование молотков блочной конструкции на дробилке фуражного зерна // Экология и сельскохозяйственная техника: Сб. тез. докл. науч,-практ. конф. - С. Петербург-Павловск, 1998. - С. 143.. .145.

4. Савиных П.А., Алёшкин A.B. Халтурин B.C. Экспериментально-теоретические исследования молотковой дробилки ДЗ-1 // 80лет сельскохозяйственному образованию и науке на Урале. Итоги и перспективы: Тез. докл. науч.-практ. конф. учёных и специалистов АПК. - Пермь: Пермский аграрный вестник. - Выпуск 2,- 1998. -С. 200...201.

5. Сысуев В.А., Алёшкин A.B., Савиных П.А., Халтурин B.C. Построение амплитудно-частотной характеристики молоткового ротора дробилки //Технические средства для ресурсосберегающих технологий в растениеводстве и животноводстве: Сб. тр. НИИСХ Северо-Востока. - Киров, 1997. - С. 123... 134.

6. Сысуев В.А., Алёшкин A.B., Халтурин B.C. Определение геометрических размеров блока шарнирных молотков // Технические средства для ресурсосберегающих технологий в растениеводстве и животноводстве: Сб. тр. НИИСХ Северо-Востока. -Киров, 1997. - С. 144.. .149.

7. Сысуев В.А., Савиных П.А., Халтурин B.C. Влияние конструктивных параметров дробилки ДЗ-1 на показатели её рабочего процесса // Совершенствование технологий и технических средств при интенсификации сельскохозяйственных процессов: Тез. докл. науч. конф. факультета механизации. - Киров, 1997. -С. 16...17.

8. Сысуев В.А., Савиных П.А., Халтурин B.C. Дробилка фуражного зерна ДЗ-1 // Информационный листок № 11-97. - Киров: ЦНТИ, 1997-3 с.

9. Сысуев В.А., Савиных П.А., Халтурин B.C. Оборудование для переработки зерна // Комбикормовая промышленность. -1997.-№5.-С. 13... 14.

10. Сысуев В.А., Савиных П.А., Халтурин B.C. Результаты исследований рабочего процесса дробилки зерна // Механизация и автоматизация технологических процессов в животноводстве: Сб. тр. ВНИИМЖ. - Подольск, 1997. - Т.б. Ч. 2. - С. 77.. .83.

11. Сысуев В.А., Савиных H.A., Халтурин B.C. Совершенствование техники для подготовки фуражного зерна к скармливанию // Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России: Материалы науч.-практ. конф. ГОСНИТИ 15-17 октября 1996 г.-М., 1997.-С. 73...76.

12. Сысуев В.А., Савиных П.А., Халтурин B.C., Алёшкин A.B. Определение собственной частоты колебаний блока шарнирных молотков на роторе дробилки. // Научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства: Сб. тр. ВНИИМЖ. - Подольск, 1998.-Т.7. Ч. 1. - С.131 ...137.

13. Сысуев В.А., Савиных П.А., Чернятьев Н.А., Халтурин B.C. Результаты исследований рабочего процесса дробилок зерна и грубых кормов // Механизация и автоматизация технологических процессов в животноводстве: Сб. тр. ВНИИМЖ. - Подольск, 1997.-Т.5. Часть 1-С.102...107.

14. Sysuev V., Savinyh P., Halturin V. Experimental researches of the grain crusher // Wykorzystanie energii odnawialnej w rolnictwie: I Miedzynarodova konferencja. - Warszawa, 1997. - S. 150... 159.

15. Sysuev V., Savinyh P., Halturin V. Optymalizacja warunkow pracy rozdrabniacza ziama DZ-1 // Ekologiczne aspekty mechanizacji nawozenia, ochrony roslin i uprawy gleby: V Miedzynarodove sympozjum. - Warszawa, 1998. - S. 253...259.

Лицензия ЛР № 020767 от 08.04.98 Подписано в печать 10.11.98. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 107.

Отпечатано с оригинал-макета. Типография НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого 610007, Киров, Ленина 166А

АЧ ' ~ IЯ £ 7 • Ч

\ } ! * \ V] ** { I Я

(

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕВЕРО-ВОСТОКА имени Н.В. РУДНИЦКОГО

На правах рукописи

Халтурин Валерий Семёнович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА С КОЛОСНИКОВОЙ РЕШЁТКОЙ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор В.А. Сысуев

Киров-1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ................ 7

1.1. Основные способы измельчения ......................................................................7

1.2. Физико-механические свойства зерна........................................................8

1.3. Зоотехнические требования к качеству измельчения зерна ...........15

1.4. Конструктивно - технологические схемы молотковых дробилок .. 18

1.4.1. Молотковые дробилки с колосниковой решёткой ................ 25

1.4.2. Обзор конструктивных схем молотков дробилок .............30

1.5. Обзор научных работ по исследованиям процесса измельчения зерна в молотковых дробилках.......................................................32

1.6. Цель и задачи исследования ...................................................................45

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ И ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОЛОТКОВОГО РОТОРА......................................................................................................47

2.1. Выбор объекта исследований и конструктивного решения .......... 47

2.2. Определение геометрических размеров молотка блочной конструкции ........................................................................................................50

2.3. Определение собственной частоты колебаний ротора дробилки, оснащённого молотками блочной конструкции................................. 55

2.4. Построение амплитудно-частотной характеристики молоткового ротора дробилки ................................................................................................60

В ыводы........................... —......................................................................................72

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................................................................73

3.1. Программа экспериментальных исследований ..........................................73

3.2. Методика экспериментальных исследований ........................... 73

3.2.1. Определение основных показателей рабочего процесса измельчения ...............................................................................................73

3.2.2. Выбор критериев оптимизации ..........................................................76

3.2.3. Приборы и аппаратура ..................................................................78

3.2.4. Определение физико-механических и технологических характеристик материала .......................................................................................................85

3.2.5. Краткая методика статистической обработки экспериментальных данных и оптимизации рабочего процесса дробилки............... 87

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА ......................................................................................91

4.1. Испытания дробилок с колосниковой решёткой ........................ 91

4.2. Проверка вращения дополнительных молотков при работе дробилки ...........................................................................................................................94

4.3. Поисковые опыты ............................................................. 97

4.3.1. Оценка влияния величины поверхности сепарирования......... 97

4.3.2. Влияние направления вращения ротора на показатели рабочего процесса дробилки .................................................................................99

4.4. Влияние варианта установки дополнительных молотков относительно несущих на показатели рабочего процесса дробилки ................ 100

4.5. Исследование влияния влажности зерна на показатели рабочего процесса дробилки .......................................................................................103

4.6. Результаты анализа гранулометрического состава готового продукта в зависимости от изменения конструктивных и технологических 109 факторов дробилки ....................................................................

4.7. Анализ частотных характеристик ротора ................................ 121

4.8. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки зерна методом многофакторных экспериментов ............................................................123

4.8.1. Описание поверхностей отклика математическими моделями первого порядка ......................................................................................123

4.8.2. Описание поверхностей отклика математическими моделями второго порядка ...........................................................................................................................127

4.9. Оптимизация параметров дробилки зерна................................ 130

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА .............................................................................................................144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ...............................................................................................................................148

ЛИТЕРАТУРА......................................................................... 150

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в сельском хозяйстве России наряду с крупными коллективными предприятиями имеются и небольшие коллективные и фермерские хозяйства. Немалый вклад в производство сельскохозяйственной продукции вносят и личные подсобные хозяйства, причём в последние годы в связи с падением объёма производства на крупных предприятиях сложилась тенденция к увеличению его в более мелких фермерских и личных подсобных хозяйствах. В связи с этим сельское хозяйство для обеспечения потребностей всех товаропроизводителей нуждается в ряде машин разной производительности.

В структуре себестоимости производства мяса, молока и других продуктов животноводства корма составляют более 60 %. [34]. Значительную часть кормов составляет фуражное зерно, использовать которое необходимо только в переработанном виде. В рационах кормления свиней доля концентрированных кормов по питательным веществам составляет 80...85 % [34]. В Российской Федерации на кормовые цели расходуется до 50 млн. т. фуражного зерна [80]. Из этого количества только четвёртая часть перерабатывается в комбикорма и кормосмеси, а остальное скармливается в измельчённом виде[80], что снижает эффективность его использования в 2...2,5 раза. В настоящее время особенно актуальна необходимость ускоренного развития производства комбикормов непосредственно в хозяйствах и на межхозяйственных предприятиях. Для обеспечения потребностей разных производителей сельскохозяйственной продукции в машинах для приготовления комбикормов разработан типоразмерный ряд комбикормовых установок [80], включающий установки производительностью 0,5; 1,0; 2,0;4,0;8,0 т/ч.

Одной из основных и самой энергоёмкой операцией в технологическом процессе приготовления комбикормов является измельчение. Исходя из этого, можно сделать вывод, что разработка и совершенствование малоэнергоёмких и надёжных технических средств для измельчения фуражного зерна является важной и актуальной задачей.

До недавнего времени в кормопроизводстве в основном использовались дробилки, в которых в качестве сепарирующего элемента использовались дорогостоящие решёта. Кроме того, для изменения степени измельчения дробилки требовалось установить решето с другим размером отверстий. При попадании инородных предметов в дробильную камеру решёта выходили из строя, требуя больших затрат средств и рабочего времени для восстановления работоспособности дробилки. В связи с этим в последнее время появились дробилки безрешётной конструкции.

Лаборатория механизации животноводства НИИСХ Северо-Востока разработала безрешётные дробилки фуражного зерна ДЗ-6 и ДЗ-1 производительностью 6 т/ч и 1 т/ч соответственно. Отличительной особенностью этих дробилок является установка в дробильной камере колосниковой решётки из параллельных элементов квадратного сечения, причём имеется возможность бесступенчатого изменения угла установки колосников с помощью регулировочного механизма для изменения степени измельчения дробилки. Приёмочные испытания дробилок, проведённые Кировской МИС, показали, что в готовом продукте, полученном на дробилках, имеется большое количество целых зёрен, зачастую превышающее максимально допустимое по зоотехническим требованиям. Была отмечена низкая надёжность дробилки ДЗ-1 и ряд конструктивных недостатков по обеим дробилкам. В связи с этим МИС рекомендовала: по дробилке ДЗ-6 выпустить опытную партию после устранения выявленных недостатков; по дробилке ДЗ-1 - доработать конструкцию дробилки и представить её на повторные испытания [70, 71].

Необходимо отметить, что отказы дробилки ДЗ-1 были обусловлены не конструктивной схемой дробилки, а низким качеством изготовления опытного образца и комплектующих изделий.

Поскольку приведённые дробилки имеют сходную конструкцию дробильных камер и общий основной недостаток - большое количество целых зёрен в готовом продукте, то в качестве объекта исследований было решено выбрать дробилку ДЗ-1 как более удобную для проведения исследований (требу-

ется меньшее количество зерна и электроэнергии для опытов, ниже трудоёмкость разборки и сборки дробилки).

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (1991...1996 гг.) по программе 05.Р.02 "Механизация и автоматизация животноводства" (договор № 19 от 22.03.91 с РАСХН, номер государственной регистрации 01910038777).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- молотковая дробилка с колосниковой решёткой, установленная в линии приготовления концентрированных кормов кормоцеха;

- конструктивная схема молотка блочной конструкции;

- теоретические зависимости для определения собственной частоты колебаний ротора с молотками блочной конструкции и размеров молотка, исключающих передачу ударных импульсов на ротор дробилки;

- амплитудно-частотные характеристики ротора с молотками блочной конструкции и пластинчатыми прямоугольными молотками;

- математические модели рабочего процесса дробилки, позволившие определить оптимальные конструктивно - технологические параметры;

- результаты сравнительных испытаний усовершенствованного и базового вариантов дробилки.

Результаты исследований переданы Слободскому ОАО "Машиностроительный завод", выпускающему дробилки фуражного зерна. Дробилка с колосниковой решёткой внедрена в колхозе "Красная Талица" Слободского района Кировской области. Кормоцех с линией приготовления концентрированных кормов, включающей дробилку с колосниковой решёткой, внедрён в колхозе "Заря" Слободского района Кировской области.

Основные положения диссертационной работы доложены на научных конференциях в ГОСНИТИ, ВНИИМЖ, СЗНИИМЭСХ, ВГСХА и СевероВосточном НМЦ в 1996... 1998 годах.

Материалы исследований опубликованы в 15 печатных работах.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные способы измельчения

В настоящее время на комбикормовых предприятиях, животноводческих фермах, комплексах крупных коллективных хозяйств, в небольших коллективных и фермерских хозяйствах измельчению подвергаются практически все виды кормов. Это связано, прежде всего, с тем, что измельчение компонентов до необходимой крупности обеспечивает более полное усвоение животными питательных веществ и более равномерное смешивание компонентов в смесителях после дозирования при получении кормосмесей [32, 49]. По данным [6] за счёт измельчения зерна продуктивность животных повышается на 10.. Л5%. Кроме того, измельчённые корма более удобны при транспортировке и раздаче. Основные способы измельчения приведены на рис 1.1 [36].

Рис 1.1. Способы измельчения: а - раздавливание; б - раскалывание; в -разламывание; г - резание; д - распиливание; е - истирание; ж - стеснённый удар; з - свободный удар

Из представленных на рис. 1.1. способов измельчения наибольшее распространение получили раздавливание, разламывание, резание, истирание и удар.

Особое место в рационах кормления животных занимают зерновые корма, обладающие высоким содержанием питательных веществ и хорошими вкусовыми качествами. Если учесть, что зерно содержит 27 наименований минеральных веществ, то станет ясно, почему оно занимает превалирующее положение в кормовом рационе животных. Однако зерновые корма могут быть малоэффективными, иногда вызывающими желудочные заболевания у животных, если их скармливать в неизмельчённом виде [36].

Машины для измельчения зерна должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь минимальный расход энергии, обеспечивать равномерное измельчение продукта, иметь возможность регулирования степени измельчения и высокую надёжность, в готовом продукте должно быть минимальное количество переизмельчённых частиц, целых зёрен и металломагнит-ных включений. Молотковые дробилки наиболее полно соответствуют данным требованиям. Они просты по устройству и надёжны в эксплуатации. Поэтому в сельскохозяйственном производстве для измельчения зерна используют в основном молотковые дробилки. Хотя они имеют и существенные недостатки: высокий удельный расход энергии, неоднородность измельчённого продукта. Эти недостатки объясняются несовершенством рабочего процесса дробилок.

1.2. Физико-механические свойства зерна

По своей структуре зерно является неоднородным телом. Оно состоит из эндосперма, оболочек и зародыша. Причём соотношение масс анатомических частей зерна заметно варьирует в зависимости от сорта, крупности и других факторов. Эти части зерна обладают различными механическими свойствами. Эндосперм зерна характеризуется сравнительной хрупкостью, тогда как оболочки зерна обладают значительной вязкостью. При дроблении зерна эндос-

перм работает в основном на скалывание и сжатие, а оболочки - на разрыв. Величина разрушающих напряжений оболочек в зависимости от сорта и влажности зерна составляет 9,5...31,5 МПа, тогда как разрывное напряжение эндосперма - лишь 1,7...3,3 МПа [60]. На удельный расход энергии при дроблении зерна влияют консистенция эндосперма, форма зерна, влажность, плёнчатость и наличие микротрещин. Стекловидный эндосперм обладает более высокой прочностью, чем полустекловидный и мучнистый того же сорта зерна. Зёрна округлой формы более прочны, чем зёрна ребристой формы того же сорта [60].

Кроме того, характерна высокая неоднородность зерна по длине, ширине и толщине. Причём неоднородность геометрических размеров зерна сказывается на его механических свойствах. По данным [29] мелкое зерно имеет повышенную прочность (предел прочности крупной фракции твёрдой пшеницы при проведённых испытаниях составил 7,5... 8,5 МПа, мелкой - 9,5.. Л1,5 МПа).

Первые экспериментальные исследования по исследованию прочности зерна были проведены П.А. Афанасьевым, который подвергал сдавливанию зёрна, помещённые в один слой между двумя стальными пластинками. Далее исследованиями в этой области занимались К.А. Зворыкин, С.А. Чистов, П.П. Тарутин, Н.М. Орлов, В.Я. Гиршсон, Я.Н. Куприц и ряд других исследователей [93].

Прочность единичных зёрен оценивается величиной разрушающего напряжения. Впервые рабочие диаграммы сжатия в координатах "усилие - деформация" для зёрен фуражных культур были получены профессором C.B. Мельниковым. Он сделал вывод, что изучение механических свойств зерна допустимо вести, используя отдельные, отобранные по соответствующей методике, зёрна на лабораторном прессе. Количество наблюдений должно быть достаточно большим (50... 100). Испытания следует проводить при постоянной влажности 14-15%. Для исследования механических свойств зерновых кормов рекомендуется ограничиваться испытанием на твёрдость на лабораторном прессе методом вдавливания цилиндра, как наиболее простом, не требующим

взвешиваний и измерений зёрен и дающем возможность получить необходимые характеристики удельной работы. На основе полученных диаграмм сжатия были построены диаграммы напряжений в координатах "истинное напряжение -относительная деформация" [50]. Рабочие диаграммы внешне напоминают кривые для мягких металлов, на которых можно выделить три этапа в развитии деформаций: первый этап - крутой подъём кривой с преобладанием упругих деформаций; второй этап - быстрое нарастание пластических деформаций, отмечаемое по ярко выраженному изменению направления кривой; третий этап, завершающийся разрушением оболочек с образованием глубокой открытой трещины. Из зерновых культур наибольшей прочностью обладает ячмень, который, будучи основной фуражной культурой, может быть принят за эталон для сравнительной оценки. В результате 30 реализаций диаграмм сжатия зёрен ячменя оказалось, что разрушающие напряжения для единичных зёрен - величина непостоянная. Значительное влияние на разрушающие напряжения оказывает ориентация зерновки при испытаниях. Диапазон изменения разрушающих напряжений 4,7...9,2 МПа. Учитывая сравнительно большой разброс значений разрушающих напряжений и то, что показатели прочности зерновых кормов устойчиво следуют нормальному закону распределения, C.B. Мельников о�