Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 13
1.1 Назначение и область применения процесса измельчения 13
1.2 Теория процесса измельчения 14
1.2.1 Энергозатраты на измельчение 14
1.3 Технологии и средства для измельчения зерновых компонентов комбикормов 19
1.3.1 Классификация способов измельчения 19
1.3.2 Классификация измельчающих машин 20
1.4 Теоретические предпосылки исследования процесса измельчения зерна при изменении давления воздуха в рабочей камере дробилки 26
1.4.1 Анализ путей интенсификации процесса измельчения 26
1.4.2 Давление воздуха, как фактор, влияющий на эффективность измельчения 27
1.5 Конструкции дробилок кормов, работающих при разрежении и избыточном давлении воздуха в рабочей камере 34
1.6 Основные выводы по первой главе 37
2 Математическое описание процесса измельчения зерна в рабочей камере дробилки 38
2.1 Теоретические предпосылки работы дробилки ударно-истирающего действия в условиях изменяемого давления воздуха в рабочей камере 38
2.2 Аналитическое исследование процесса взаимодействия рабочих органов дробилки с продуктом 40
2.2.1 Характер движения продукта и воздуха в рабочем пространстве дробилки 40
2.2.2 Характеристика воздушно-продуктового слоя, образующегося в рабочей камере дробилки 41
2.2.3 Определение основных характеристик воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха в рабочей камере дробилки
2.2.3.1 Обоснование геометрических параметров и физических свойств воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха 42
2.2.3.2 Обоснование динамических параметров воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха 49
2.2.4 Исследование силового взаимодействия среды с рабочими органами дробилки 53
2.2.5 Энергетический баланс измельчителя в подсистеме воздушно-продуктового слоя 58
2.3 Кибернетическая модель объекта исследования 60
2.4 Комплекс параметров эффекта процесса ударно-истирающего измельчения 65
2.5 Алгоритм реализации математической модели 66
2.6 Выводы по второй главе 67
3 Описание экспериментальной установки и методика экспериментальных исследований
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 69
3.2 Описание экспериментальной установки, моделирующей процесс измельчения
3.3 Приборы и аппаратура, применяемые при исследованиях 82
3.4 Методики, применяемые при экспериментальных исследованиях 83
3.4.1 Характеристика сырья, используемого при исследованиях 83
3.4.2 Стандартные методики 83
3.4.3 Определение эквивалентного диаметра зерна 84
3.4.4 Методика исследований, разработанная для определения характеристик воздушно-продуктового слоя и коэффициентов, входящих в математическую модель 85
3.4.5 Методика определения показателей процесса измельчения при работе экспериментальной установки 90
3.5 Методика определения эмпирических зависимостей параметров эффекта от исследуемых факторов 94
3.6 Методика проведения многофакторного эксперимента с последующей оптимизацией исследуемого объекта
3.7 Программное обеспечение для обработки экспериментальных данных 97
4 Результаты экспериментальных исследований 98
4.1 Результаты эксперимента по определению границ варьирования факторов и выбора рациональной конструкции рабочего органа 98
4.2 Исследование влияния режимов работы дробилки на эффективность процесса измельчения зерновых культур 106
4.3 Результаты определения основных параметров математической модели процесса измельчения в дробилке с изменяемым давлением воздуха в рабочей камере 117
4.3.1 Динамические, геометрические и физические параметры воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха в рабочей камере 117
4.3.2 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений и коэффициента плотности укладки зерна в воздушно-продуктовом слое 120
4.3.3 Определение эмпирических зависимостей показателей процесса измельчения от исследуемых факторов 122
4.4 Сравнение расчетных параметров математической модели с экспериментальными 127
4.5 Оптимизация процесса измельчения компонентов комбикормов при изменении давления воздуха в рабочей камере дробилки 131
4.6 Выводы по четвертой главе 138
5 Реализация результатов исследования 141
5.1 Методика инженерного расчета дробилки ударно-истирающего действия с учетом разрежения воздуха в ее рабочей камере 141
5.2 Совершенствование конструкций дробилок кормов 145
5.3 Расчет экономической эффективности внедрения результатов научных исследований 151
5.3.1 Расчет энергетической эффективности 151
5.3.2 Оценка экономической эффективности внедрения программного продукта 156
5.3.2.1 Технико-экономическое обоснование проекта программного продукта 156
5.3.2.2 Определение трудоемкости разработки программного продукта 156
5.3.2.3 Расчёт себестоимости программного продукта 163
5.3.2.4 Расчёт экономического эффекта от внедрения программного продукта 165
5.4 Выводы по пятой главе 166
Общие выводы по работе 168
Список литературы 170
Приложения 188
- Давление воздуха, как фактор, влияющий на эффективность измельчения
- Обоснование геометрических параметров и физических свойств воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха
- Методика исследований, разработанная для определения характеристик воздушно-продуктового слоя и коэффициентов, входящих в математическую модель
- Результаты эксперимента по определению границ варьирования факторов и выбора рациональной конструкции рабочего органа
Введение к работе
Актуальность темы.
Процесс измельчения — самая распространенная и очень энергоемкая операция в технологическом процессе подготовки кормов к скармливанию сельскохозяйственным животным, обусловленная требованиям физиологии их кормления. Подсчитано, что на измельчение ежегодно тратится не менее 5% всей производимой в мире энергии, включая энергию двигателей внутреннего сгорания. Такая большая доля в общем энергетическом балансе подчеркивает важность данного процесса для экономики каждой страны. Выбор оптимальных режимов измельчения и подбор измельчающих машин является основной из задач в процессе кормоприготовления. Разработка новых энергосберегающих технологий и технических средств позволит повысить эффективность, как отдельного фермерского хозяйства, так и сельскохозяйственного производства в целом.
С учетом экономической ситуации в стране в настоящее время наметилась тенденция к производству малогабаритных, высокоэффективных дробилок, которые возможно использовать в фермерских и личных подсобных хозяйствах. Наибольшее распространение среди таких измельчителей кормов получили измельчители ударно-истирающего действия — молотковые и роторные дробилки. Это связано с тем, что они наиболее просты по конструкции, имеют малые габаритные размеры при достаточно высокой производительности [8,32-37,97-100,106,107]. При этом имеется возможность регулирования процесса измельчения в определенных пределах, что позволяет обеспечивать требуемое качество конечного продукта. Существенным недостатком дробилок данного типа является достаточно высокая энергоемкость процесса и неоднородность получаемого продукта. Снижение энергоемкости процесса измельчения основного сырья при производстве комбикормов является одной из важнейших задач, стоящей перед производителями кормов для сельскохозяйственных животных, рыбы и домашней птицы.
Изучению оптимизации процесса измельчения зернового сырья в дробилках ударно-истирающего действия посвящено достаточно много исследований. Как показали исследования СВ. Мельникова, Ф.С Кирпичникова, СВ. Антимонова, В.Р. Алешкина и других ученых, в процессе измельчения энергозатраты на преодоление сил сопротивления в воздушно-продуктовом слое стоят на втором месте после энергозатрат на основное разрушение измельчаемого материала. Большое количество энергии, подводимое к воздушно-продуктовому слою, расходуется вхолостую, на циркуляцию воздуха в рабочем пространстве дробилки. По мнению вышеупомянутых авторов, повышение эффективности процесса измельчения за счет снижения непроизводительных энергозатрат может быть достигнуто посредством устранения воздушно-вихревой области и более интенсивного взаимодействия рабочего органа с продуктом. Свойства воздушно-продуктового слоя и показателей воздушно-вихревой области в рабочем пространстве дробилки зависят от величины давления воздуха в рабочей камере, что позволяет выдвинуть гипотезу, что эффективность процесса измельчения можно повысить посредством изменения данного параметра.
Практически во всех применяемых в настоящее время молотковых и роторных дробилках зерна в их рабочей камере имеет место разрежение или избыточное давление воздуха. Как свидетельствуют результаты исследований по этому вопросу, в настоящее время не создан математический аппарат, позволяющий достаточно и достоверно определить энергоемкость процесса, производительность дробилки, качество получаемого продукта с учетом изменяемого давления воздуха в рабочей камере.
Вышеизложенные положения явились основанием выбора научного направления и обоснования актуальности диссертационной работы.
Работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовления» и включена в тематику НИР ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» на 1996 - 2008
гг., номер госрегистрации 01.960.005780.
Цель работы. Повышение эффективности процесса измельчения зерна за счет изменения давления воздуха в рабочей камере дробилки ударно-истирающего действия, обеспечивающего получение однородных по составу комбикормов с требуемой крупностью частиц.
Объект исследования. Процесс измельчения зерна в дробилке ударно-истирающего действия при различной величине давления воздуха в рабочей камере.
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности изменения характеристик воздушно-продуктового слоя при различных величинах давления воздуха в рабочей камере дробилки ударно-истирающего действия.
Задачи исследования:
Разработать математическую модель процесса измельчения зерна в дробилке ударно-истирающего действия с учетом переменной величины давления воздуха в ее рабочей камере.
Разработать экспериментальную установку, моделирующую процесс ударно-истирающего измельчения зерна в дробилке промышленного типа, позволяющей изменять величину давления воздуха в рабочей камере и определять неизвестные величины, входящие в математическую модель.
Исследовать процесс измельчения зернового сырья при различных величинах давления воздуха в рабочей камере дробилки для выявления влияния этого параметра на эффективность процесса.
На основе полученных результатов исследований предложить новые конструкции дробилок для измельчения зернового сырья и наметить дальнейшие пути совершенствования дробилок ударно-истирающего действия.
5. Дать экономическую оценку основных результатов научных
исследований.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработана математическая модель, позволяющая достоверно описать
изменение энергетических и качественных показателей процесса измельчения в дробилке ударно-истирающего действия с учетом переменной величины давления воздуха в ее рабочей камере;
экспериментально определены граничные области величины давления воздуха в рабочей камере дробилок ударно-истирающего действия, при которых могут изменяться показатели процесса измельчения;
на основе экспериментальных данных получены уравнения регрессии показателей процессов измельчения пшеницы и ячменя, которые позволяют прогнозировать требуемые модуль помола получаемого продукта, удельную энергоемкость процесса измельчения, производительность дробилки ударно-истирающего действия, а также КПД процесса измельчения с учетом переменной величины давления воздуха в ее рабочей камере.
Практическую ценность работы представляют:
- обоснованные рациональные режимы работы экспериментальной
установки с изменяемым давлением воздуха в рабочей камере и
усовершенствованные конструкции дробилок (патенты РФ № 2318600,
№ 2330722, №» 2340399, № 2343002);
- результаты исследования и техническая документация молотковой
дробилки для измельчения зерновых компонентов комбикормов, принятые на
предприятие ОАО «Оренбургский станкозавод» г. Оренбурга для изготовления
промышленного образца, предназначенного для малых и средних фермерских
хозяйств;
— методика инженерного расчета и программное средство для расчета параметров процесса измельчения зерна в дробилке ударно-истирающего действия с учетом величины давления воздуха в ее рабочей камере, на которое получено свидетельство об официальной регистрации в Университетском фонде алгоритмов и программ ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».
Апробация. Основные положения диссертации были- изложены на
научных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Вызовы 21 века и образование» (г. Оренбург 2006), Общероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (г. Казань 2006), Региональных конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области «Наука-технологии-производство-рынок» (г. Оренбург 2006, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды» (г. Оренбург 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как условие повышения качества подготовки специалистов» (г. Оренбург 2008). Материалах Первой международной научно-практической конференции "Передовые научные разработки-2006" (г. Днепропетровск 2006), Материалах всероссийской научно-практической конференции «Развитие университетского комплекса как фактор повышения инновационного и образовательного потенциала региона» (г. Оренбург 2006), Материалах международной научно-практической конференции «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» (г. Москва 2007), Материалах международной научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (г. Казань 2008), Материалах научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации (г. Москва 2008). Тезисах Седьмой всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (г. Казань 2007), Тезисах Четвертой международной научно-практической конференции: «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы» (г. Пенза 2007). Трудах Пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург 2008), Трудах Пятой Международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (г. Новосибирск 2008).
Основные положения диссертации были опубликованы в международном журнале «Уральский научный вестник» (Казахстан 2007), рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК: «Тракторы и сельскохозяйственные машины», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Механизация и электрификация сельского хозяйства».
За разработанные конструкции автор получил звание лауреата областных выставок научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2007»,«НТТМ-2008>>.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 30 работ, в том числе: 3 статьи в рецензируемых ВАК научных журналах, 2 статьи в научных журналах, 2 статьи депонированы в ВИНИТИ, по результатам научных конференций опубликовано 17 материалов и тезисов докладов, издано 1 учебное пособие, 1 методическое указание, получено 4 патента РФ.
Внедрение. Результаты научной работы внедрены в производственный процесс Оренбургского комбината хлебопродуктов № 3. Лабораторный вариант дробилки используется в лаборатории предприятия для определения анализа качества комбикормов.
Разработанная проектная и конструкторская документация на молотковую дробилку для измельчения компонентов комбикормов принята на предприятие ОАО «Оренбургский станкозавод».
Соблюдение предложенного перечня рекомендаций по снижению энергозатрат на измельчение зерновых кормов в производственных условиях ОАО «Птицесовхоз «Родина» Сорочинского района Оренбургской области позволило снизить расход электроэнергии на 1,9 кВт-ч/т, что составляет 17% от общего расхода электроэнергии на операцию измельчения.
Разработанные программные средства для расчета параметров процесса измельчения и определения рациональных рабочих режимов дробилок ударно-истирающего действия используются в учебном процессе кафедрой МАХИН ГОУ Оренбургского государственного университета в курсовом и
дипломном проектировании по специальности «Машины и аппараты пищевых производств».
Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» при изучении дисциплины «Технологическое оборудование малых и традиционных предприятий».
Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и 17 приложений. Общий объем диссертации составляет 215 страниц, в том числе: 27 страниц с рисунками и иллюстративным материалом, 18 страниц списка литературы из 200 наименований (из них 32 иностранных), 28 страниц приложений.
Давление воздуха, как фактор, влияющий на эффективность измельчения
В. У. Климович [75], анализируя состояние теории и практики измельчения, приходит к следующим выводам: 1. Экономичность современных измельчителей крайне низка (исчисляется долями процента), следовательно, резервы в повышении их эффективности огромны. 2. Ни один из современных типов измельчителей пока не обнаруживает таких элементов, развитие которых привело бы к радикальному повышению эффективности техники измельчения. Все это убедительно говорит о необходимости уделять самое серьезное внимание совершенствованию процесса измельчения, конструкции измельчающих машин, так как даже минимальное повышение их эффективности дает большой экономический эффект. Среди десяти факторов интенсификации процесса измельчения Reis выделяет измельчение в вакууме (Planiol, Batel [189]), при использовании которого наблюдается более эффективное взаимодействие рабочих поверхностей на измельчаемый материал, вследствие чего продукт разрушается за меньшее время по сравнению с обычным давлением воздуха. Г. Румпф [193,194], анализируя возможность измельчения "с точки зрения получения наиболее мелких частиц, выделяет, что размер получаемых частиц ограничивается по следующим причинам: 1. При сжатии между двумя твердыми поверхностями: частицы вдавливаются в рабочие поверхности; 2. При ударном воздействии: - вследствие трения о воздух (с уменьшением размера частиц трение о воздух мешает получению достаточно высокой скорости удара); - происходит агломерация. 3. Интенсивность нагрузок, вызванных окружающей средой, в общем случае значительно ниже, чем при взаимодействии частицы с твердыми поверхностями. Интенсификация измельчения при ударном нагружении по мнению Г. Румпфа, будет заключаться в том, что более мелкие частицы будут измельчаться наиболее эффективнее за счет повышения скорости удара при уменьшении трения частиц о воздух, т.е при его разрежении. Как показали исследования В.Р. Алешкина, В.А. Елисеева СВ. Мельникова, Ф.Г. Плохова, П.М. Рощина, В.И. Сыроватка, В.Г. Короткова, СЮ. Соловых, СВ. Антимонова и других ученых на процесс измельчения молотковых дробилок оказывает свое действие движущийся в направлении вращения молотков кольцевой воздушно-продуктовый слой, состоящий из множества частиц. После энергозатрат на основное разрушение измельчаемого материала энергия также затрачивается на преодоление сил сопротивления в воздушно-продуктовом слое [7,60,89,129, 145,149]. Большее количество энергии, подводимое к воздушно-продуктовому слою, расходуется вхолостую, на циркуляцию воздуха в рабочем пространстве дробилки. Повышение эффективности процесса измельчения может быть достигнуто за счет конструктивного устранения воздушно-вихревой области и снижения относительной скорости воздушно-продуктового слоя [7,8]. Давление воздуха, как фактор, влияющий на эффективность измельчения Оценку эффективности процесса измельчения обычно производят по следующим показателям [55]: 1) удельной энергоемкости; 2) степени измельчения частиц; 3) гранулометрическому составу продуктов измельчения; 4) прочим показателям (зольности, отношению поверхности частиц к их объему или весу и др.). Количество энергии, необходимое для измельчения какого-либо материала до определенного размера, зависит от многих факторов: размера, формы, взаимного расположения кусков, прочности, хрупкости, однородности и исходного материала, его влажности, вида и состояния рабочих поверхностей машины и др. Свою схему факторов влияющих на эффективность работы дробилок предложил Сыроватка В.И. (рис. 1.3). Проанализируем факторы, влияющие на эффективность работы дробилок с целью выявления влияния такого фактора как давление воздуха в дробильной камере.
Как известно, давление воздуха зависит от его плотности, температуры, кинематической вязкости [9,27,101]. При этом следует отметить, что динамическое давление воздуха возникает в дробильной камере при возникновении воздушного потока. При работе дробилки замкнутый воздушный поток действует на всех этапах рабочего цикла: способствует движению материала в дробильной камере, измельчению и выносу измельченного материала через отверстия решета (для решетных дробилок) в разделительную камеру или на выгрузку (для безрешетных дробилок), эвакуации измельченного материала из-за решетного пространства и его подаче по трубопроводу в циклон, разделению (осаждению) измельченного материала в циклоне или разделительной камере, подаче исходного материала в рабочую камеру [95,98].Так как мощность воздушного потока зависит от давления воздуха, следовательно, увеличение давления воздуха, увеличивается и мощность воздушного потока. Мощность воздушного потока, согласно приведенным факторам на рис. 1.3 относится к механическому фактору и зависит от воздушного режима внутри камеры измельчения.
Обоснование геометрических параметров и физических свойств воздушно-продуктового слоя при изменении давления воздуха
Процесс измельчения в дробилке ударно-истирающего принципа действия можно характеризовать как механическое воздействие рабочего органа на измельчаемый материал (зерно), который в результате этого воздействия разрушается (разделяется на части). При этом необходимо отметить, что в процессе работы дробилки затрачивается энергия, которая идет как на сам процесс измельчения, так и энергия на непроизводительные потери. Для эффективного ведения процесса измельчения необходимо максимально увеличить долю затрат энергии, связанной с измельчением и снизить долю непроизводительных энергозатрат.
При проектировании сложной технологической системы, к которой можно отнести процесс ударно-истирающего измельчения удобно применять математическое моделирование, позволяющее выполнять параметрический синтез оптимального объекта [72]. Оптимизация объекта исследования — процесса измельчения зерна в дробилке при различной величине давления воздуха в рабочей камере, производится по комплексу параметров эффекта, т.е. параметров, характеризующих потребительские качества продукта и ресурсосбережение применяемой технологии.
В работах Соловых С.Ю., Антимоновым СВ. предложена математическая модель процесса измельчения зернового материала в дробилке ударно-истирающего действия, представляющего роторный измельчитель с вертикальным расположением вала ротора. В основу описания математической модели был положен энергетический подход, позволяющий исследовать энергозатраты, расходуемые как на разрушение материала, так и не связанные с измельчением. Данный подход позволил дать необходимые материалы для расчета параметров процесса измельчения и оптимизации молотковых и роторных дробилок зерна, предназначенных для фермерских хозяйств. Математическая модель процесса измельчения зерна была получена как для бесситовых [7], так и для решетных зернодробилок [145]. При описании математической модели авторами за основу была положена теорема Эйлера о сумме моментов в замкнутой системе [16]. Движение зернового материала в измельчителе описывалось поведением ньютоновской жидкости, находящейся в поле сил инерции. Нахождение энергетических показателей процесса проводилось при теоретическом и экспериментальном исследовании взаимодействия рабочего с окружающей средой (воздух, зерно) и измельчаемым продуктом. Эффективность измельчения, как показали результаты проведенных авторами исследований зависит от характеристик воздушно-продуктового слоя - его окружной скорости, плотности, геометрических размеров и т.д [7,33,145,106]. Вышеуказанные исследования требуют уточнения и дополнения, так как в них рассматривалось изменение характеристик воздушно-продуктового слоя при нормальных условиях в рабочей камере измельчителя.
Авторами была выдвинута гипотеза, что эффективность процесса измельчения можно повысить путем устранения сопротивления воздуха в процессе движения материла и рабочего органа. Данная гипотеза дает предпосылку исследования процесса измельчения зерна в дробилке ударно-истирающего действия с учетом переменной величины давления воздуха в ее рабочей камере с целью последующего составления математической модели происходящего процесса. Математическая модель позволит достоверно оценить величину изменения эффективности процесса измельчения в зависимости от величины давления воздуха в рабочей камере дробилки.
В роторных дробилках ударно и ударно-истирающего принципа действия рабочий орган — лопасти, укрепленные радиально на роторе, совершают вращательное движение. Лопасти дробилки и создаваемый ими воздушный поток вовлекают измельчаемый продукт в круговое движение, при этом в рабочем пространстве дробилки образуется двухфазная дисперсная система воздуха и зерна — воздушно-продуктовый слой, который располагается на периферии и двигается в направлении вращения молотков. Цилиндрическая коаксиальная поверхность корпуса механизма (рис. 2.1) вместе с торцевыми поверхностями ограничивает воздушно-продуктовый слой, который при установившемся движении механизма приобретает форму полого цилиндра [147]. Согласно теории, выдвинутой В.Г. Коротковым, СЮ Соловых поведение воздушно-продуктового слоя можно описывать моделью ньютоновской жидкости, находящейся в поле сил инерции [92,93]. В роторных дробилках ударного и ударно-истирающего принципа действия происходит движение как измельчаемого продукта, так и окружающего рабочий орган воздуха с большими скоростями. В общем случае это трехмерное движение. Многочисленные экспериментальные исследования [12,147,151] показывают, что две из трех составляющих скорости этого движения (радиальная и осевая) во много раз меньше окружной скорости. Величина окружной скорости практически не изменяется вдоль оси ротора. Представим рабочее пространство дробилки как систему, состоящую из двух подсистем — подсистемы воздушно-вихревой зоны и подсистемы воздушно-продуктового слоя. Физически между ними имеется разделительная поверхность, ограниченная внутренним радиусом воздушно-продуктового слоя ra (рис. 2.1, 2.2). Влиянием торцевых поверхностей рабочего пространства пренебрегаем. Характеристика воздушно-продуктового слоя, образующегося в рабочей камере дробилки Многие исследователи строят физическую модель сыпучих материалов по аналогии с грунтами по принципу сплошных сред [66]. Механика сыпучих материалов, построенная на этой базе, использует теорию и методы физики сплошных сред. Среди характеристик воздушно-продуктового слоя можно выделить: - геометрические параметры воздушно-продуктового слоя - радиус границы воздушно-продуктового слоя га, его толщина Нсл, занимаемый им объем Vc, осевая протяженность hc; - физические свойства - плотность воздушно-продуктового слоя рс, масса циркулирующей загрузки Мц, массовая доля частиц материала цц [106]; - динамические параметры - скорость потока материала vc.
Методика исследований, разработанная для определения характеристик воздушно-продуктового слоя и коэффициентов, входящих в математическую модель
Герметичность в рабочем пространстве корпуса рабочей камеры 4 обеспечивается за счет конструктивного исполнения корпуса рабочей камеры: толщина стенок выполнена в соответствии с расчетом на надежность при создании заданного давления воздуха в рабочей камере, соединение крышки с корпусом рабочей камеры представляет гладкое фланцевое соединение с резиновым уплотнителем 25, стягивающееся резьбовым соединением. Герметичность между вращающимся валом ротора и рабочим пространством корпуса рабочей камеры обеспечивают двойные манжетные уплотнения 26.
Загрузка продукта осуществляется из бункера 27 через мягкий воздухонепроницаемый рукав 28, соединенный с шаровым краном 17. Разгрузка продукта осуществляется через расположенные в нижней части, по бокам корпуса рабочей камеры выходные люки с выходными крышками 29.
Экспериментальная установка работает следующим образом. Продукт, подлежащий измельчению, определенной массой поступает из бункера 27 в рабочую камеру, проходя через мягкий воздухонепроницаемый рукав 28, шаровой кран 17, прямой патрубок тройника 15. При поступлении продукта мягкий воздухонепроницаемый рукав должен быть подсоединен к прямому патрубку тройника, а шаровой кран должен находиться в открытом положении, выходные люки должны быть плотно закрыты крышками 29. После загрузки продукта закрывается шаровой кран 17, отсоединяется мягкий воздухонепроницаемый рукав от входного конца шарового крана 17, открывается компрессорный кран 18 и посредством вакуумного насоса или компрессора в рабочей камере создается необходимое значение барометрического давления воздуха, которое показывает мановакуумметр 16. По достижению заданного значения давления воздуха в рабочей камере, отключают вакуумный насос или компрессор, закрывают компрессорный кран 18, включают лабораторную дробилку и производят измельчение продукта.
Разрушение частиц продукта осуществляется за счет многократного соударения и истирания частиц между собой, ударов о рабочий орган 5, ударов и истирания о внутренние стенки корпуса рабочей камеры 4, трения в зазоре между торцом рабочего органов и внутренней стенкой корпуса рабочей камеры, а также между днищем и нижней частью нижнего рабочего органа.
При измельчении продукта корпус рабочей камеры 4 начинает поворачиваться вместе с опорным стаканом 12 в подшипниковом узле 2 под действием сопротивления рабочему органу вращающегося воздушно-продуктового слоя (из-за разности абсолютных скоростей рабочего органа и воздушно-продуктового слоя), а также трения продукта о внутреннюю поверхность корпуса рабочей камеры. Возможность вращения опорного стакана 12 ограничена устройствами измерения крутящего момента, который может быть установлен с помощью тензометрических балочек 23, связанных с опорным стаканом нерастяжимой нитью 24.
Воздушно-продуктовый слой в процессе измельчения приобретает форму кольца, который вращается в направлении вращения рабочего органа. Окружную скорость слоя позволяет измерить устройство для замера скорости воздушно-продуктового слоя 19 следующим образом: лопатки, закрепленные на валу генератора постоянного тока, расположены таким образом, что максимально контактируют с воздушно-продуктовым слоем и начинают вращаться с той же окружной скоростью, что и сам слой. Возникший в генераторе от вращения вала постоянный ток передается через коммутирующую аппаратуру, выведенную через прозрачную крышку 14, при соблюдении условия герметичности корпуса рабочей камеры, на аналогово-цифровой преобразователь, затем на персональный компьютер. В лабораторной установке возможно применение стандартного устройства для измерения скорости частиц твердого компонента в турбулентном потоке предложенного Р. Эхорном [66] при установке преобразователя по направлению движения частиц продукта и сохранения герметичности рабочей камеры.
Величину образующегося кольцевого воздушно-продуктового слоя определяют при помощи отградуированной шкалы, нанесенной на прозрачную крышку 14 установки.
По окончании заданного времени процесса измельчения отключают питание лабораторной установки, открывают компрессорный кран 18, затем открывают выходные крышки и производят разгрузку полученного продукта.
Загрузка-выгрузка продукта также может быть осуществлена через верхнюю часть корпуса рабочей камеры при снятии крышки и поднятием корпуса рабочей камеры из опорного стакана при ослаблении стопорного болта 13. В нашем случае использовалась именно такая схема загрузки-выгрузки продукта, поэтому конструкция лабораторная дробилки была упрощена. В применяемой конструкции лабораторной установки отсутствуют бункер и выходные крышки.
Конструкция установки позволяет ступенчато изменять скоростной режим рабочих органов, путем варьирования имеющихся шкивов. Для изменения окружных скоростей рабочих органов изготовлены шкивы диаметром 45, 63, 100, 180 мм. При этом скорость вращения ротора варьируется от 209 до 419 рад/с. Кроме того, в экспериментальной установке можно изменять величину загрузки продукта, продолжительность цикла ее работы, давление воздуха в рабочей камере.
Экспериментальная установка позволяет моделировать процесс измельчения зерна с учетом величины давления воздуха в рабочей камере дробилок ударно-истирающего действия. Кроме того, экспериментальная установка позволяет определить неизвестные величины, входящие в математическую модель, а также наглядно продемонстрировать влияние величины давления воздуха на механику протекающего процесса (скорость воздушно-продуктового слоя, его толщина).
Результаты эксперимента по определению границ варьирования факторов и выбора рациональной конструкции рабочего органа
При проведении поискового эксперимента изучался вопрос о влиянии на эффективность процесса измельчения зерновых компонентов комбикормов различной величины фиксированного давления воздуха в рабочей камере дробилки (вакуумметрическое, избыточное и атмосферное давление), конструктивных и технологических параметров рабочих органов, продолжительности процесса измельчения, скоростного режима рабочих органов, величины загрузки рабочей камеры продуктом.
Изменение конструктивных параметров включало в себя применение различных конструкций рабочих органов (рис. 4.1) и конструктивных схем их установки (табл. 4.1). При изменении конструктивных параметров рабочих органов изменялось: общее число и суммарная поверхность лопастей рабочего органа, угол наклона конца лопасти рабочего органа относительно горизонтальной плоскости, линейные размеры рабочего органа, зазор между рабочим органом и обечайкой. Для каждой используемой в эксперименте конструктивной схемы замерялся такой технологический -параметр как давление воздушного потока, развиваемое при вращении лопастей. Конструктивные и технологические параметры рабочих органов приведены в таблице 4.1.
В качестве продукта для измельчения использовались следующие зерновые культуры: пшеница со средневзвешенным диаметром зерна dcp = 3,8 мм, ячмень со средневзвешенным диаметром зерна dcp = 4,2 мм. Исходная влажность зерна составляла 12 %. Загрузка зерна в рабочую камеру осуществлялась порциями от 0,1 кг до 0,5 кг с шагом 0,1 кг. Частота вращения ротора дробилки изменялась от 200 до 500 рад/с с шагом 100 рад/с. Продолжительность процесса измельчения варьировалась от 20 сек до 180 сек с шагом 20 сек. Давление воздуха в рабочей камере изменялось от 10 кПа до 220 кПа с шагом 20 кПа. Объем рабочей камеры составлял 0,0019 м .
Для определения границ варьирования факторов была выбрана конструктивная схема установки рабочих органов №1 (см. табл. 4.1), так как она имела средние относительно других применяемых схем конструктивные и технологические параметры. Каждый опыт проводился с трехкратной повторностью с одновременным определением следующих величин: - давление воздуха в рабочей камере дробилки; - толщина воздушно-продуктового слоя, если происходило его образование; - время измельчения; - электрическая мощность электродвигателя; - сила тока, потребляемая электродвигателем; - крупность полученного продукта; - гранулометрическая оценка измельченного продукта. В поисковых экспериментах по определению границ варьирования исследуемых факторов было установлено, что для используемых в процессе эксперимента зерновых культур при одновременном изменении массы загружаемого продукта, продолжительности измельчения, давления воздуха, частоты вращения ротора наблюдалась общая тенденция к уменьшению крупности полученного продукта с увеличением частоты вращения ротора и продолжительности измельчения. Так, при частоте вращения ротора менее 2000 об/мин зерно измельчалось лишь частично и полученный продукт не соответствовал установленным зоотехническим требованиям ГОСТ 13496.8-72, предъявляемым к кормам. Гранулометрический анализ измельченного продукта показал, что количество целых зерен составляет более 10% от общего количества продукта, а сход с сит 3 и 2 мм был до 60%. С увеличением частоты вращения рабочих органов до 4500 об/мин и продолжительности измельчения более 100 секунд при загрузке порции зерна менее 0,2 кг наблюдалось переизмельчение продукта, так как фракция с модулем измельчения менее 1 мм составляла 60-65%.
При увеличении загрузки рабочей камеры более чем ,на 0,35 кг, с одновременным увеличением частоты вращения ротора и времени измельчения до верхнего уровня варьирования, получаемый продукт не соответствовал ГОСТу 13496.8-72, так как сход с сит 3 и 2 мм составлял до 50% от общего количества продукта, а проход с сита 0,2 мм был более 10 %.
С понижением давления воздуха в рабочей камере до 10 кПа происходило более интенсивное измельчения зерна, так как было отмечено уменьшение модуля измельчения с 5% (р=95 кПа, т=0,1 кг, п=3000 об/мин) до 25% (р=Ю кПа, т=0,1 кг, п=3000 об/мин) по сравнению с модулем помола продукта, полученного при давлении воздуха в рабочей камере 101,366 кПа.
При создании избыточного давления воздуха в рабочей камере от 120 кПа до 180 кПа, было отмечено увеличение величины модуля измельчения до 20 % с одновременным снижением мощности электродвигателя дробилки до 10% по сравнению с модулем помола и мощностью при атмосферном давлении воздуха. При загрузке рабочей камеры менее 0,1 кг изменение крупности и энергозатрат с увеличением давления воздуха в рабочей камере не наблюдалось.
При работе дробилки на всех исследуемых уровнях факторов наблюдалось образование воздушно-продуктового слоя в виде подвижного кольца, размеры которого изменялись в пределах 20-32 мм.
В результате поисковых экспериментов было выявлено, что влияние давления воздуха при изменении массы продукта в рабочей камере, частоты вращения ротора, времени измельчения наблюдается лишь при определенных величинах исследуемых факторов. Поэтому для полномерного и достоверного исследования влияния величины давления воздуха на процесс измельчения был составлен план эксперимента при совместном влиянии данных факторов.
При составлении плана эксперимента предварительно назначили уровни варьирования. Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями протекания процесса измельчения компонентов комбикормов, техническими характеристиками дробилки [142].
