Повышение эффективности функционирования молотковой дробилки путем совершенствования способа сепарации
На правах рукописи
Федоров Олег Сергеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБА СЕПАРАЦИИ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Чебоксары – 2010
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Широбоков Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Савиных Петр Алексеевич кандидат технических наук, доцент Скурыгин Иван Николаевич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»
Защита диссертации состоится 29 апреля 2010 года в 1000 часов на заседа нии диссертационного совета Д 220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г.Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».
Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» http://www.academy21.ru в разделе «Новости» « » марта 2010 г.
Автореферат разослан « » марта 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук С.С. Алатырев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Основными машинами для измельчения зерна в комбикормовой промышленности и сельскохозяйственных предприятиях явля ются молотковые дробилки. Наиболее часто на предприятиях используют дро билки типа ДКМ, КДУ и т.п. Данные машины имеют ряд недостатков: во первых, при попадании в камеру дробления инородных предметов (камней, ме таллических предметов) сепарирующие решета, а иногда и молотки выходят из строя или вызывают интенсивный износ рабочих органов;
во-вторых, более крупные частицы зерна под действием центробежных сил перекрывают выход частицам, достигшим необходимых размеров, что приводит к интенсивному образованию пылевидной фракции, износу дек, решёт и молотков, а также по вышенному расходу энергии.
В последнее время промышленностью резко сокращен выпуск техниче ских средств для отрасли животноводства, большинство из них закупается в странах ближнего и дальнего зарубежья.
Из-за медленного освоения производством новых машин в животновод стве сохраняется высокая трудоемкость обслуживания животных и получения продукции, которая в пять и более раз выше, чем во многих западных странах.
В связи с этим создание надежных, экономичных машин и совершенство вание параметров существующих является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских ра бот ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА по теме: «Повышение эффективности машин и оборудования АПК» (номер государственной регистрации 01200960954).
Цель исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования молотковой дробилки путём совершенствования способа сепарации воздушно-продуктовой смеси в циклоне-сепараторе.
В соответствии с поставленной целью обозначены следующие задачи ис следования:
расширить функциональные возможности молотковой дробилки зерна пу тем разработки сепарирующего устройства;
теоретически обосновать конструктивно-технологические параметры циклона-сепаратора;
экспериментально определить оптимальные конструктивно технологические параметры модернизированной дробилки зерна, обеспечи вающей получение готового продукта соответствующего зоотехническим тре бованиям для всех видов сельскохозяйственных животных, при минимальных энергозатратах и высокой пропускной способности;
провести испытания дробилки кормов в производственных условиях и оценить ее энергетическую и экономическую эффективность.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран техно логические процессы измельчения зерна в дробилке и сепарации дерти в ци клоне-сепараторе.
Предмет исследования. Технологический процесс измельчения зерна и сепарации дерти.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследо ваний использованы стандартные методики с применением физического и ма тематического моделирования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
конструктивно-технологическая схема дробилки зерна с циклоном сепаратором;
теоретическое обоснование параметров циклона-сепаратора;
оптимальные конструктивно-технологические параметры модернизиро ванной молотковой дробилки зерна;
результаты производственных испытаний дробилки с циклоном сепаратором, её энергетическая и экономическая эффективность.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована конструктивно-технологическая схема дробилки зерна с ци клоном-сепаратором (патент на полезную модель РФ № 83946);
получены аналитические зависимости, позволяющие определить пара метры сепарирующего решета в зависимости от требуемого размера измель ченных частиц;
получены эмпирические модели, позволяющие оптимизировать конст руктивно-технологические параметры модернизированной молотковой дробил ки зерна, обеспечивающей получение готового продукта, соответствующего зоотехническим требованиям для всех групп сельскохозяйственных животных, при минимальных энергозатратах.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Проведенные исследования позволили усовершенствовать дробилку зерна, обладающую высоким качеством выполнения технологического про цесса, низким удельным расходом энергии и обеспечивающую производительность до 2 т/ч.
Опытный образец машины внедрён в СПК "Валожикьинский" Удмурт ской Республики. Результаты могут быть использованы проектно конструкторскими организациями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы:
на научно-практических конференциях профессорско преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА в 2008 – 2010 гг.;
на Х Международной конференции «Автоматизация и информацион ное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Уг лич 16.09 – 17.09.08г.);
на VIII выставке – сессии инновационных проектов республиканского молодёжного форума (г. Ижевск 15.10 – 16.10.09г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе один патент РФ на полезную модель, одна научная статья в издании, рекомендуемом ВАК РФ и научная статья в зарубежном издании.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложе на на 135 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 14 таблиц и приложений. Список литературы включает 126 наименований, в т.ч. на иностран ном языке – 5.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, степень ее разработанности, определены цель и объект исследования, раскрыта научная новизна работы, ее практическая значимость, приведены ос новные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДО ВАНИЯ» на основе литературных и патентных источников проведен анализ наиболее распространенных конструкций молотковых дробилок открытого и закрытого типов. Приведена классификация молотковых дробилок. Рассмотре ны наиболее распространенные конструктивно-технологические схемы сепара ции измельченного материала в дробилках зерна. Представлены зоотехниче ские требования к концентрированным кормам для всех групп сельскохозяйст венных животных.
Научной основой работ по измельчению зерна и сепарации измельченно го зерна являются труды В.П. Горячкина, В.Р. Алешкина, С.В. Мельникова, В.Г. Мохнаткина, П.М. Рощина, В.А. Сысуева, П.А. Савиных, В.И. Сыроватки, S.M.Henderson, E.J.Sebestuen, Latimier I. и других ученых. Анализ их работ по казал, что большинство молотковых дробилок закрытого типа имеют низкую надежность и не обеспечивают качества измельчения зерна согласно зоотехни ческим требованиям вследствие несвоевременного отвода, измельченного про дукта. На качество измельченного материала оказывают влияние множество факторов, но наибольшее значение имеет способ сепарации измельченного продукта.
Одним из методов повышения эффективности работы молотковых дро билок является организация рабочего процесса по открытому типу с сепарацией измельчаемого материала вне камеры измельчения. Основным преимуществом организации работы таким способом является своевременный вывод измель ченного продукта из дробильной камеры и, как следствие, отсутствие переиз мельчения.
По разделу сделаны следующие выводы:
из проведенного анализа конструктивно-технологических схем молот ковых дробилок следует, что наилучшее качество измельчения достигается в молотковых дробилках с сепарацией измельченного материала вне камеры из мельчения;
для сепарации измельчённого материала в молотковых дробилках зерна наиболее эффективными являются гладкие пробивные решёта с круглыми от верстиями, так как они обеспечивают сепарацию измельченных частиц наи большего числа зерновых культур;
наибольшая производительность достигается в молотковых дробилках с организацией рабочего процесса по открытому типу.
Во втором разделе «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУК ТИВНО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕПАРИРУЮЩЕГО РЕ ШЕТА» представлена конструктивно-технологическая схема циклона сепаратора (рис.1). Для реализации новой технологической схемы сепарации изменена конструкция молотковой дробилки зерна типа КДУ – удалено сепа рирующее решето из камеры измельчения и установлено решето новой конст рукции в циклоне 1 дробилки. В данном случае разделение измельченного ма териала происходит на сепарирующем решете 2. Частицы, достигшие нужного размера, проходят между стенкой циклона и сепарирующего решета и выгру жаются, а недоизмельченные частицы идут на повторное измельчение.
Поскольку сепарирующее уст ройство состоит из двух основных 1 частей, движение частиц рассмотрено отдельно в цилиндрической и кониче ской частях устройства.
Рассмотрим движение частицы (рис. 2), которая поступает вместе с воздушным потоком внутрь циклона.
Для упрощения расчетов взаимодейст вием частиц между собой пренебрега ем. Частица движется вблизи стенки канала, в этом случае прямолинейное Рисунок 1 – Конструктивно-технологичес- движение частицы переходит в движе кая схема циклона-сепаратора ние вдоль стенок решета циклона.
z z Fтр t Fтр Р V f x h t mg N у n R Рисунок 2 – Схема к изучению движения по цилиндрической части решета Частицу зерна, принимаем за материальную точку массой m. Приложим к ней действующие внешние силы. Кроме силы тяжести mg, действует сила дав ления скоростного потока воздуха Р, которая определяется по формуле:
vотн Р S, (1) где – плотность воздуха, кг/м3;
v отн – скорость воздушного потока относительно частицы, м/с;
S – Миделево сечение частицы, м2.
Применим принцип освобождаемости от связей и заменим действия поверхности решета нормальной реакцией N и силой трения Fтр.
Для удобства расчётов воспользуемся цилиндрической системой коор динат, формулы перехода между системами координат имеют вид:
х 2 у 2, х соs, y sin, (2) у х arcsin arccos, z z, 2 2 2 х у х у z z.
Запишем уравнения движения в проекциях на оси координат. При этом нормаль направлена к центру кривизны, касательная ось в сторону возраста ния дуговой координаты;
бинормальная ось совпадает с осью z.
ma m R P Fтр, n ma m R N, (3) z z ma m mg Fтр, z,, – соответственно угловая координата, угловая скорость и ускоре где ние изменения угловой координаты;
z Fтр, Fтр – проекции силы трения на оси естественного триэдра;
z – проекция ускорения частицы на ось Z.
Представим проекции силы трения следующим образом:
R Fтр Fтр cos( F ) Fтр ;
, v (4) F z F cos( F z ) F z, ;
тр тр тр v cos( F ), cos( F z ) – направляющие косинусы вектора силы трения;
;
;
где v – абсолютная скорость частицы.
Абсолютную скорость частицы определяем по следующей зависимо сти:
v ( R ) 2 z 2. (5) Таким образом, уравнения систем (3),(4) вместе с уравнением поверх ности R и уравнением (5) позволяют определить закон движения точки x f1 (t ), у f 2 (t ), z f 3 (t ), нормальную реакцию N, силу трения Fтр и ее z проекции Fтр, Fтр.
Уравнения системы (3) с учетом формул (1) и (4) примут вид:
vотн N m R S f R, 2 v m 2 R N, N m mg f z, z (6) v v R z, 2 v v R, отн v - скорость воздушного потока в циклоне, м/с.
где Подставим второе, четвертое и пятое уравнения системы (6) в первое и третье уравнения системы (6). Получим нелинейные дифференциальные урав нения второго порядка:
m 2 R m R v R S f, R 2 z (7) m 2 R m mg f z, z R 2 z или S v R 2 f R, 2mR ( R ) 2 z (8) 2 R z z g f.
R z 2 Представим решение системы дифференциальных уравнений в виде раз ложения искомых функций в степенной ряд Маклорена, исходя из начальных условий, заданных в момент времени t=0.
d n ( 0) ( 0) (0) 2 (0) 3 dt n (t ) (0) t n..., t t t...
1! 2! 3! n! (9) n dz ( 0) dt n z ( 0) (0) 2 z(0) z t n..., z (t ) z (0) t t t...
1! 2! 3! n!
Задавшись различными величинами радиуса и в зависимости от этого по лучим значение высоты цилиндрической части циклона, а также законы движе ния частицы. Анализ этих законов показывает, что при величинах R 0,19 м частица проходит незначительное расстояние по поверхности решета за счет больших сил трения, что снижает качество сепарации.
Используя программу, составленную на языке «QBasic», по вышеприве денному алгоритму, определили следующие рациональные параметры цилин дрической части сепарирующего решета: величина радиуса – R = 0,19…0,22 м;
высота – h = 0,14…0,17 м.
Подставив значения параметров в начальный момент времени при вели чине радиуса R = 0,20 м и высоте h = 0,15м, получаем закон движения частицы в цилиндрической части сепарирующего решета:
t 108,5t 587,08t 2 4253,74t 3.., z t 0,15 t 0,51t 21,44t.., 2 (10) vt 21,7 234,83t 2552,24t...
На следующем этапе рассмотрим движение частицы, которая переходит с цилиндрической на коническую часть решета (рис. 3).
Введём декартовую и цилиндри z1 ческую системы координат. Ось Х со x вместим с положением частицы в мо мент перехода на коническую поверх у ность решета. Каноническое уравне R ние прямого конуса в декартовых ко ординатах имеет вид:
в Fтр t x 2 y 2 tg 2 z 2 0, Fтр (11) f t v t где - угол полураствора конуса, рад.
r В цилиндрических координатах N в v x cos, y sin, z z, mg n b 2 cos 2 2 sin 2 tg 2 z 2 0, z01 z 2 tg 2 2 z ctg b tg в С уменьшением высоты z01 ра диус поперечного сечения уменьшает x1 ся. Момент перехода является новым началом для отсчета времени, то есть с у1 t o 0 на втором этапе. Начальные ус ловия в этот момент време Рисунок 3 - Схема к изучению движения ни: zo z01;
о 0;
проекции скорости по конической части решета в z точки на касательную: v0 vk, на бинормаль: v0 vk cos, на нормаль: v0 0.
n Выражения для проекций силы трения на оси координат аналогичны формулам (4) и имеют вид:
R Fтр Fтр, v (12) z Fтр Fтр в.
v cos Скорость частицы v определяется аналогично формуле (5):
z v R cos.
(13) На конической поверхности решета скорость воздушного потока снизит ся, при этом воздух будет проходить сквозь отверстия решета в зарешетное пространство. Следовательно, влияние силы динамического напора Р становит ся пренебрежимо мало и при составлении системы дифференциальных уравне ний (14) это слагаемое можно исключить. Получим уравнение движения несво бодной материальной точки по сепарирующей поверхности.
N m R f R, v m R N mg sin, (14) m 1 mg cos f 1.
z z N cos v cos Из второго уравнения системы (14) выразим величину нормальной реак ции опоры.
N m 2 R mg sin.
(15) Представим дифференциальные уравнения в более привычном виде:
3 R g sin f, R 2 z cos (16) 2 R z1 g z1 sin 1 g cos f z.
z R cos Аналогично представим решение системы дифференциальных уравнений (16) в виде разложения искомых функций в ряд Маклорена (9).
Используя программу, составленную на языке «QBasic», по вышеприве денному алгоритму, определили следующие рациональные параметры кониче ской части сепарирующего решета: величина радиуса – R = 0,19…0,22 м, угол полураствора конуса – = 12°…16°. Подставив значения параметров в началь ный момент времени при величине радиуса R = 0,20 м и угле полураствора ко нуса = 14°, получаем закон движения частицы в конической части сепари рующего решета:
t 86,6t 374,11t 2 2157,37t 3..., z t 0,15 t 1,76t 30,14t..., 2 (17) vt 16,3 149,64t 1294,28t...
Измельченная частица гарантированно пройдет сквозь сепарирующее от верстие, если её центр тяжести рис. 4 окажется ниже горизонтальной плоско сти, проходящей через середину сепарирующего решета.
l=в/2+dср / F=DP ·S v d ср в dотв -dср dотв Рисунок 4 – Схема для определения размера отверстия dотв сепарирующего решета На измельченную частицу действует сила F, которую можно определить по следующей формуле:
F P S, (18) где Р – разница давлений внутри сепарирующего решета и в зарешетном пространстве, Н/м2;
Под действием силы F частица измельченного материала проходит рас стояние l=(в/2 + dср /2), которое можно определить по выражению:
F t l (19).
2m Время t из выражения (19) определяется следующим образом:
8ml t. (20) P d ср Время на прохождение частицей расстояния dотв- dср находится из сле дующего выражения:
(d отв d ср ) t. (21) v Приравняв правые стороны выражений (20) и (21), получаем:
(d отв d ср ) 2 8 ml. (22) P d ср 2 v Для удобства расчетов массу частицы m выразим через плотность 1 и тогда выражение, выглядит следующим образом:
1 d ср m. (23) Подставив формулу (23) в выражение (22) и проведя необходимые преоб разования, окончательно получаем выражение для определения dотв:
P d ср 0,81v P d ср 1 (d ср в ) d отв. (24) P Таким образом, получено выражение, позволяющее определить размеры отверстий сепарирующего решета dотв в зависимости от требуемого модуля по мола и скорости движения измельченных частиц по поверхности решета.
Подставив в формулу (24) конкретные числовые значения, определяем, что для получения модуля помола dср=1,5…1,6 мм диаметр отверстий сепарирующего решета должен быть равен dотв=5,8…6,4 мм.
Так как не все частицы могут двигаться по касательной к сепарирующей поверхности, рассмотрим движение измельченных частиц зерна, которые дви жутся ближе к центру циклона при выходе из продуктопровода в циклон сепаратор (рис. 5).
Введём декартовую систему координат OXYZ и цилиндрическую системы координат.
Связь между этими координатами:
x cos 0, y sin 0, (25) z z, где 0 – угол поворота радиус-вектора до положения, соответствующего на чалу криволинейного движения в поле касательных сил от воздушного потока.
vабс Надо учесть, что вблизи решета, в vо зоне шириной в, начинают действовать t g силы от воздушного центробежного пото х vt ка, которые отклоняют частицу от перво t Q начальной траектории, сообщая ей каса у Q тельную скорость.
Из прямоугольного треугольника определим, что:
R 2в R 2в R cos 0 0 arccos, (26) Rв Rв где 2в – ширина входного канала.
Запишем уравнения динамики в проекциях на естественные оси коорди Рисунок 5 – Схема к изучению движе нат.
ния частиц первоначально В начальный момент времени в ра отдаленных от сепари диальном направлении получаем:
рующей поверхности v 2 cos 0 vотн S sin 0.
m (27) Rв В касательном направлении:
vотн dv m sin 0 S cos 0. (28) dt По мере продвижения частицы в радиальном направлении к сепарирую щей поверхности воздушный поток в решетном пространстве перестает дейст вовать, в то время по касательной к траектории движения частица приобретает дополнительную скорость за счет действия центробежного потока. Траектория частицы в плоскости OXY отклоняется от прямолинейной.
Таким образом, к скорости v добавляется скорость v от центробежных сил воздушного потока циклона:
vотн dv S dt. (29) 2m Следовательно, под действием динамического потока происходит движе ние с ускорением и частица приобретает дополнительную скорость:
vотн t v0 v 0 S dt. (30) 2m t 3в На ширине градиент центробежного потока в радиальном направле нии не изменён, поэтому формула ускорения упрощается:
vотн S t t 0.
v v 0 (31) Однако необходимо учитывать, что абсолютная скорость частицы посто янно изменяет своё направление в пространстве.
vабс В начальный момент времени vо t 0 0 частица занимала положение, (Qо +dQ) определяемое углом 0, радиусом R в и g имела скорость v0 (рис. 6). За малый про межуток времени t частица приобрела vt касательную скорость:
dQ vотн v S t. (32) Q0 2m Абсолютная скорость стала равной:
о v абс v0 v2 2v0 v sin 0 d.
(33) Рисунок 6 - Схема для определения vабс Вектор скорости отклонился от первоначального направления на угол, который определяем по теореме синусов:
v абс arcsin v cos d. (34) При этом в радиальном направлении частица переместится на расстояние:
dr v0 sin 0 d t. (35) В касательном направлении частица переместится на расстояние:
v v0 cos d t. (36) По указанному алгоритму можно последовательно рассчитать скорость vабс и траекторию точки за время движения до тех пор, пока радиальное поло 1 жение точки не станет равным R в, т.е. точка не переместится на в 4 вдоль радиуса. Далее происходит уменьшение скорости воздушного центро бежного потока от значения vотн до 0,1vотн вблизи стенок решета.
В этом случае касательная скорость будет определяться выражением:
vотн vотн t 2 v Sdt St, (37) 2m 2m Причем значение скорости:
18 vотн vотн 1 R Ri, (38) где Ri – текущий радиус положения частицы.
В полярной системе координат координаты частицы определяются углом поворота:
Qi 1 Qi d (39) и радиус - вектором:
ri 1 ri dr S, (40) где i – этап вычисления В таком случае модуль радиус-вектора по теореме косинусов равен:
ri 1 (ri dr ) 2 S 2. (41) В результате расчетов определено, что угол в момент столкновения частиц изменяется в пределах 19…39. При значениях углов до удара, совпа дающих с расчетными, частицы не будут отскакивать от поверхности решета, а продолжат скольжение по его поверхности, следовательно, рассмотренные ра нее законы движения будут справедливы и для этих частиц.
В третьем разделе «ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕН ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» изложена программа экспериментальных ис следований, описана методика их проведения и обработки полученных данных, применяемые приборы, измерительные устройства и оборудование, приведено описание лабораторной установки (рис. 7 а,б).
Установка состоит из камеры измельчения 1, ротора 2, вентилятора швырялки 3, циклона-сепаратора 4, сепарирующего конуса 5, продуктопровода 6, ловушки 7, обратного продуктопровода 8, питающего бункера 9 и перегородки бункера 10. Привод ротора и вентилятора-швырялки осуществляется от трёх фазного асинхронного двигателя. Дробилка зерна работает следующим обра зом: подлежащее измельчению зерно загружается в бункер 9.
а – схема б – общий вид Рисунок 7 – Лабораторная установка При открытии задвижки зерно поступает в камеру измельчения 1, в кото рой получают воздушно-продуктовую смесь (дерть), состоящую из пылевид ных частиц, требуемого размера и недоизмельчённых зёрен, а также различных инородных твёрдых включений.
Рисунок 8 –Конические сепарирующие реше- Рисунок 9 – Способ установки сепари та диаметром отверстий 4, 6 и 8 мм рующего решета в циклоне Полученная смесь под действием воздушного потока, создаваемого ротором 2, и всасывающего действия вентилятора-швырялки 3 поступает в камеру вентилято ра-швырялки 3, в которой частицы смеси дополнительно ускоряются и через про дуктопровод 6 поступают в циклон-сепаратор 4, во внутренний объём сепарирую щего конуса 5, где происходит разделение дерти на частицы, достигшие необходи мого размера и частицы, требующие дополнительного измельчения. Недоизмель ченные частицы по продуктопроводу 8 поступают в камеру измельчения 1, а гото вый продукт выводится из циклона-сепаратора.
При этом инородные твёрдые включения смеси, имеющие больший удельный вес, чем остальные частицы смеси, оседают в ловушке твёрдых включений 7.
Для изготовления конических сепарирующих решет использовали глад кие пробивные решёта из оцинкованной стали (ТУ 23.2.2068-89) с круглыми отверстиями диаметром 4, 6 и 8 мм (рис. 8).
Для установки сепарирующего решета, а также для последующей замены решёт, корпус циклона-сепаратора выполнен разъемным (рис. 9).
В качестве критериев оптимизации рабочего процесса дробилки приняты:
остаток на сите 3 мм (в процентах к исходной массе продукта);
содержание целых зёрен в готовом продукте (в процентах к исходной массе).
удельные затраты энергии с учётом степени измельчения, кВтч/(тед.ст.изм);
В четвертом разделе«РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДО ВАНИЙ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА» представлены результаты исследований, полу ченные в лабораторных и производственных условиях.
Для предварительной оценки влияния основных факторов на показатели рабочего процесса дробилки проведены исследования с использованием мето дов однофакторного эксперимента, которые показали (рис. 10), что при измене нии величины подачи материала в интервале от 0,70 до 2,20 т/ч модуль помола снижается с 1,63 до 1,32 мм при этом наименьшее значение остатка на сите мм наблюдается при подаче – 1,45 т/ч.
Р3,% dср,мм Р3,% Э,кВт ч/ Э,кВт ч/ d,мм (т ед.ст.изм) ср (т ед.ст.изм) 1,6 7 1, dср э 1,5 6 2, 1, 1,4 1,4 5 1,3 4 1, 1, dср э 3 1,2 1,2 Р Р 1, 2 1,1 0, 2 4 2, 0,70 1, Z д,мм Q,т/ч Рисунок 10 –Зависимости изменения мо- Рисунок 11 – Изменение модуля помо дуля помола dср, остатка на ла dср, остатка на сите Р сите Р3 и удельных энергоза- и удельных энергозатратЭ трат Э от величины подачи Q в зависимости от зазора между молотком и декой Zд При увеличении зазора между декой и молотком с 2 до 6 мм (рис. 11) значение модуля помола возрастает с 1,26 до 1,63 мм, величина остатка на сите 3 мм возрастает с 0,3 до 3,0 %. Величина удельных энергозатрат снижается с 5,67 до 4,82 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.).
Увеличение диаметра отверстий решета с 4 до 8 мм (рис. 12) приводит к возрастанию модуля помола с 1,15 до 2,03 мм удельные энергозатраты при этом увеличиваются с 4,82 до 6,28 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.).
Р3,% Р3,% dср,мм dср,мм Э,кВт ч/ Э,кВт ч/ (т ед.ст.изм) (т ед.ст.изм) 7 2,1 2, 13 6 1,9 1, 11 э э 5 1,7 1, 9 dср dср 7 4 1,5 1, Р3 Р 3 5 1,3 1, 3 2 1,1 1, 4 6 8 4 6 dотв.,мм dотв.,мм Рисунок 12 – Изменение модуля помола dср, Рисунок 13 –Изменение модуля помола остатка на сите Р3 и удельных dср, остатка на сите Р3 и уде энергозатрат Э в зависимости льных энергозатрат Э в зави от диаметра отверстий сепари- симости от изменения диаме рующего конического решета тра сечения воздуховода на входе в циклон -сепаратор Уменьшение диаметра воздуховода на входе в циклон-сепаратор с 148 мм до 74 мм (рис. 13), приводит к возрастанию удельных энергозатрат с 4, кВт·ч/(т·ед.ст.изм.) до 6,53 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), величины модуля помола сни жается с 1,63 мм до 1,24 мм.
2, модуль помола dср, мм 2, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8, диаметр отверстий сепарирующего решета dотв, мм теоретическая зависимость экспериментальная зависимость Рисунок 14 – Зависимость модуля помола от диаметра отверстий сепарирующего решета решета Для теоретических зависимостей (24) проведены исследования по влия нию величины диаметра отверстий на модуль помола, анализ полученных зави симостей показывает, что экспериментальные и теоретические зависимости (рис. 14) совпадают с вероятностью 95%.
На основании результатов однофакторных экспериментов для дальнейших исследований выбраны следующие факторы:
зазор между молотками ротора и декой (x1);
диаметр отверстий сепарирующего решета (x2);
величина подачи исходного материала (x3);
диаметр воздуховода на входе в циклон-сепаратор дробилки (x4).
Таблица 1 – Факторы и уровни варьирования Уровни факторов Кодиро- Интерва Факторы верхний средний нижний ванные лы (+) (0) (-) Зазор между молотком x1 6 4 ротора и декой Zд, мм Диаметр отверстий сепари рующего конического реше- x2 2 8 6 та dотв, мм Величина подачи исходного x3 0,75 2,20 1,45 0, материала Q, т/ч Диаметр воздуховода на входе x4 37 148 111 в циклон дробилки D, мм Исследования проводились на зерне ячменя сорта Раушан влажностью 12,5…12,9 % с эквивалентным диаметром зерна 4,53 мм.
Реализован план Бокса (В4) для четырех факторов и после обработки ре зультатов экспериментальных исследований на персональном компьютере с помощью программы Statgraphics plus version 3.0 получены математические модели рабочего процесса. Проверку воспроизводимости опытов (однородно сти дисперсии) при анализе опытных данных определяли с помощью критерия Кохрена. Адекватность моделей оценивалась по F-критерию Фишера. Досто верность соответствия математической модели реальному процессу составила 95%.
После исключения незначимых факторов, определенных по критерию Стьюдента, математические модели приняли вид:
y1 2,672 3,816 x2 1,088 x3 0,901x2 x3 0,837 х3 х4 ;
(42) y 2 0,335 1,083x 2 0,327 x3 0,664 x 2 0,268 x 2 x3 0,268 х3 х 4 ;
(43) y3 2,942 0,715 x2 0,450 x3 1,150 x4 0,416 x2 x3 0,451х2 х 0,742 x (44) 0,438 х3 х4 0,807 х4.
Анализ полученных математических моделей (42,43,44) показал, что на удельные энергозатраты дробилки (y3) наибольшее влияние оказывают величи на подачи измельчаемого материала (x3) и диаметр воздуховода на входе в ци клон-сепаратор дробилки (x4), а на содержание целых зёрен в готовом продукте (y2) и остаток на сите 3 мм (y1) – диаметр отверстий сепарирующего конического решета (x2).
Q,т /ч Анализ двумерных 2,2 сечений показал, что наи меньшее значение (рис.15) 1, удельных энергозатрат 2,7 3, 1, 0,7 5, 2, Э=2,70 кВтч/(тед.ст.изм), 1, 6, 5, при соответствии готового 2,94 4, 1,3 3, продукта зоотехническим 3, 3,66 требованиям по остатку 3, 4, 1, на сите 3 мм (Р3=5%), 4, 4, достигается при 0, 4,0 4,8 5,6 подаче материала 8, 6,4 7, dотв,мм Удельные энергозатраты Q=1,52…1,96 т/ч, а диа Остаток на сите Р метр отверстий сепари Рисунок15 – Зависимость удельных энергозатрат и остатка рующего решета должен на сите 3 мм от величины подачи и диаметра находиться в пределах отверстий сепарирующего решета Q, т /ч dотв= 6,6…7,0 мм.
2,2 Из анализа дву мерных сечений (рис.16) 1,82 2, 1,9 1, 0, видно, что при 0, 0, 0,45 2,7 1,0 1, 1,6 Q=1,38…1,82 т/ч и dотв=5,8…6,2 мм содер 2, 0, 1, жание целых зерен 3, 3,66 3, (m =0,3%) в готовом про 1,0 4, 4, дукте соответствует тре 4,62 3, 0,7 бованиям, предъявляемым 5, 4,8 6,4 7, 4,0 8,0 ГОСТ для всех групп Удельные энергозатраты dотв,мм сельскохозяйственных Целые зерна в остатке животных удельные энер Рисунок16–Зависимость удельных энергозатрат и содержания целых зерен в готовом продукте от величины пода- гозатраты в этом случае чи и диаметра отверстий сепарирующего решета имеют значение D,мм Э=2,94кВтч/(тед.ст.изм.).
148, 0, Анализ двумерных 5, 133,2 сечений (рис. 17) показы 6, 2,7 4,7 5, 1,7 3, 0, вает, что при изменении 2, 118, диаметра воздуховода на 2, 3,66 3,42 3, входе в циклон-сепаратор 103,6 3, 4, дробилки D=114,7..148мм 4,38 4, 88,8 4, величина удельных энер 5, гозатрат составляет 74, 4,8 5, 4,0 Э=2,7кВтч/(тед.ст.изм.), 6,4 7,2 8, dотв,мм Удельные энергозатраты диаметр отверстий сепа Остаток на сите Р Рисунок17 – Зависимость удельных энергозатрат и остатка на рирующего решета сите 3 мм от диаметра воздуховода на входе в dотв=6,9…7,2мм, а остаток в циклон-сепаратор дробилки и диаметра на сите 3 мм (Р3=5% ).
отверстий сепарирующего решета D,мм Из анализа двумерных сечений 148, (рис.18) видно, что при 1, 0,17 0,30 0,72 1,00 1, D = 114,7…148 мм и 133,2 0, 1, dотв= 6,2…6,4 мм со 2,7 0, держание целых зерен 118, 2,94 (m = 0,3%) в готовом 3,66 3,42 3, продукте соответствует 103,6 3, 4,14 зоотехническим требо 4,62 4, ваниям, удельные энер 88,8 4, гозатраты в этом слу 0,1 5, чае имеют значение 74, 8,0 Э=2,94 кВтч/(тед.ст.изм.).
4,0 5,6 6,4 7, 4, Таким образом, dотв,мм Удельные энергозатраты Целые зерна в остатке установлены оптималь Рисунок18 –Зависимость удельных энергозатрат и содержания ные конструктивно целых зерен в готовом продукте от диаметра технологические пара воздуховода на входе в циклон- сепаратор дро метры дробилки: диа билки и диаметра отверстий сепарирующего метр отверстий сепа решета рирующего решета – dотв= 6,2…7,2 мм;
диаметр воздуховода на входе в циклон-сепаратор D=114,7…148 мм;
величина подачи измельчаемого материала Q =1,52…1,96 т/ч.
При этих значениях измельченный продукт соответствует зоотехническим тре бованиям для всех групп животных, а величина удельных энергозатрат составляет Э=2,7…2,94 кВтч/(тед.ст.изм.).
Рисунок 19 – Производственная установка В 2008 году в СПК «Валожикьинский» Можгинского района Удмуртской Республики проведены испытания модернизированной молотковой дробилки зерна (рис. 19) с диаметром отверстий сепарирующего решета dотв = 6,0 мм.
По результатам испытаний установлено, что молотковая дробилка обес печивает производительность Q =1,9 т/ч, измельченный продукт соответствует зоотехническим требованиям для всех групп животных, а удельные энергозатраты при этом составили Э = 2,8 кВтч/(тед.ст.изм.).
В пятом разделе «ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МОЛОТКОВОЙ ДРО БИЛКИ ЗЕРНА» представлены расчеты экономической эффективности исполь зования экспериментальной молотковой дробилки зерна в сравнении с серийно выпускаемой и сходной по техническим, технологическим и эксплуатационным показателям молотковой дробилкой КДУ - 2.
В результате расчета годовая экономия составила 31270 рублей (в ценах 2009 г.), а экономический эффект – 27520 рублей при измельчении 1533 т зерна.
Срок окупаемости составил 0,48 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработана конструктивно – технологическая схема дробилки зерна с сепарацией измельченного материала вне камеры измельчения (патент на по лезную модель №83946), обеспечивающая качественное измельчение зерна при минимальных энергозатратах.
2. Теоретически определены значения конструктивных параметров сепа рирующего решета циклона-сепаратора: величина радиуса цилиндрической части – R = 0,19…0,22 м, высота цилиндрической части – h = 0,14…0,17 м, угол полураствора конической части – =12°…16°. Получено выражение (24), позволяющее определить диаметр отверстий сепарирующего решета в зависи мости от требуемого модуля помола. Для получения модуля помола величиной dср = 1,5…1,6 мм (подходящего для всех групп сельскохозяйственных живот ных) необходимо устанавливать сепарирующее решето, диаметр отверстий ко торого лежит в пределах dотв = 5,8…6,4 мм.
3. Получены аналитические зависимости и эмпирические модели, описы вающие рабочий процесс модернизированной молотковой дробилки.
4. Экспериментально установлены оптимальные конструктивно – техно логические параметры дробилки: диаметр отверстий сепарирующего решета – dотв= 6,2…7,2 мм;
диаметр воздуховода на входе в циклон-сепаратор – D=114,7…148 мм;
величина подачи измельчаемого материала Q = 1,52…1,96 т/ч.
При этих значениях измельченный продукт соответствует зоотехническим тре бованиям для всех групп животных, а величина удельных энергозатрат состав ляет Э=2,7…2,94 кВтч/(тед.ст.изм.).
5. По результатам производственных испытаний модернизированной дробилки зерна установлено снижение энергоемкости процесса до 26 % по сравнению с базовым вариантом. Годовой экономический эффект составил 27520 рублей (в ценах 2009 г.) при измельчении 1533 тонн зерна. Срок окупае мости 0,48 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных трудах:
1. Широбоков, В.И. Модернизированная дробилка фуражного зерна / В.И.
Широбоков, А.Г. Иванов, О.С. Федоров // Тракторы и сельскохозяйствен ные машины. – 2010. – №1. – С.21 – 23.
2. Пат. №83946 Российская Федерация, МПК В 02 С 13/00, Дробилка для фуражного зерна / В.И. Широбоков, Ф.Г. Стукалин, В.А. Жигалов, В.А.
Николаев, О.С. Федоров;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА – №2008141746/22;
заявл.21.10.08;
опубл.27.06.09, Бюл.№18 – 2с.: ил.
3. Fiedorov O., Turubanov N. Wstepne resultaty badan zmodernizowanego roz drabniacza parz kdu-2 // Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uw zglednieniem ochrony srodowiska i standardow ue: XV Miedzynarodowa kon ferencja naukowa. – Warszawa, 2009. – S. 92 – 96.
4. Федоров, О.С. Теоретические предпосылки движения дерти по сепари рующей поверхности конического решета / О.С. Федоров, В.И. Широбо ков // Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве: сборник докладов Х Международной науч.-практ. конференции, 16 – 17 сен. 2008 г. – Углич, 2008. – Т.2. – С.358 – 361.
5. Широбоков, В.И. Разработка конструкции циклона для сепарации дерти в дробилках зерна / В.И. Широбоков, О.С. Федоров, А.С. Фурин // Научный потенциал – аграрному производству: материалы Всероссийской науч. практ. конф.посвященной 450-летию вхождения Удмуртии в состав Рос сии, 26 – 29 фев.2008 г. – Ижевск: Ижевская ГСХА 2008. – Т.1. – С. 231 – 233.
6. Федоров, О.С. Совершенствование конструкции зерновых молотковых дробилок / О.С. Федоров // Интеллектуальные системы в производстве. – 2008. – №2. – С.110 – 113.
7. Федоров, О.С. Оптимизация конструктивно - технологических парамет ров молотковой дробилки зерна / О.С. Федоров, В.И. Широбоков // Вест ник Ижевской ГСХА. – 2009. – №3 – 4(20 – 21). – С.23 – Подписано в печать 19.03.10 г. Формат 6084 1/16.
Усл. печ. л 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано с готового оригинала-макета в типографии ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая,