Содержание к диссертации
Введение
CLASS Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований CLASS 5
1.1. Обоснование необходимости измельчения кормов» механизм и способы их измельчения
1.2. Классификация и краткая характеристика измельчителей сельскохозяйственных продуктов 10
1.2.1. Жерновой постав 11
1.2.2. Вальцовая мельница 14
1.2.3. Штифтовые измельчители (дезинтеграторы) 14
1.2.4. Ударно-центробежные измельчители 15
1.2.5. Молотковые дробилки 16
1.2.6. Плющилки 17
1.2.7. Универсальная мельница МДУ-4 17
1.2.8. Соломосилосорезки. Корнеклубнеизмельчители 18
1.3. Обзор исследований в области измельчения резанием.. 20
1.3.1. Основные положения теории резания лезвием 21
1.3.2. Основные положения:''зеррии резания резцом-клином.. 27
1.4. Основные выводы. задачи исследований 31
Глава 2. Теоретические исследования процесса измельчения зерна в ротороо-ножевом измельчителе 33
2.1. Задачи теоретических исследований 33
2.2. Обоснование технологической схемы измельчителя зерна 33
2.3- Теоретическое исследование конструктивных и технологических параметров роторно-ножевого измельчителя зерна 38
2.3.1. Исследование конструктивных и технологических параметров ротора-распределителя 38
2.3.2. Исследование конструктивных и технологических параметров ротора с ножами (ротора-ножа) 60
2.4- Энергетическая оценка процесса измельчения в роторно-ножевом измельчителе 61
2.5. Выводы по главе 65
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 66
3.1. Характеристика измельчаемого материала 66
3.2. Исследование параметров процесса резания зерен злаковых культур резцом при статическом и динамическом нагружении 66
3.2.1. Установка для исследования процесса резания зерна при статическом нагружении и методика проведения опытов.. 67
3.2.2. Установка для исследования процесса резания зерна при динамическом нагружении и методика проведения опытов 69
3.3. Экспериментальная установка по измельчению зерна, измерительные приборы и аппаратура.. 74
3.4. Последовательность проведения опытов 82
3.4.1. Методика определения полезной мощности 82
3-4.2. Методика определения производительности 85
3-4-3. Методика определения гранулометрического состава измельченного зернового материала 86
3.4.4. Методика определения уровня шума при работе
измельчителя зерна 87
CLASS Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований.. 8 CLASS 8
4.1. Анализ физико-механических свойств измельчаемого зерна 88
4.2. Влияние геометрических параметров ножа на работу резания зерна при статическом нагружении 88
4.3. Влияние скорости резания на работу измельчения одиночных зерен 90
4.4- Влияние параметров ротора-распределителя и ротора- ножа на производительность измельчителя и качество измельчения 99
4.5. Влияние скорости резания, радиуса рабочих органов и модуля помола на удельную энергоемкость... 108
4.6. Анализ результатов экспериментальных данных по определению уровня шума при работе измельчителя зерна.. 112
4.7. Выводы по главе 114
Глава 5. Результаты производственных испытаний измельчителя типа и его экономическая . эффективность . 116
5.1. Результаты производственных испытаний 116
5.2. Определение экономической эффективности использования измельчителя фуражного зерна роторно-ножевого типа в сельскохозяйственном производстве 118
5.3. Выводы по главе 123
Общие выводы 123
Литература 125
Приложения 134
- Обоснование необходимости измельчения кормов» механизм и способы их измельчения
- Теоретическое исследование конструктивных и технологических параметров роторно-ножевого измельчителя зерна
- Исследование параметров процесса резания зерен злаковых культур резцом при статическом и динамическом нагружении
- Анализ физико-механических свойств измельчаемого зерна
Введение к работе
Для организации полноценного кормления животных важное значение имеет рациональное использование концентрированных кормов» основным компонентом которых являются зерновые и зернобобовые культуры, дающие около 50% протеина. При недостатке в кормах 19...22$ протеина происходит недобор 30...35$ продукции, а ее себестоимость и расход кормов возрастают в 1,5 раза. Повтому особо важное значение имеет подготовка зерновых культур к скармливанию с целью максимального использования животными протеина.
Наиболее ответственной и трудоемкой технологической операцией, занимающей более 50$ от общих затрат труда в приготовлении комбикормов, является измельчение зернового сырья, которое в основном осуществляется молотковыми дробилками.
Изучению процесса измельчения в молотковых дробилках посвящено значительное количество работ. Наибольший вклад в теорию измельчения внесли такие ученые, как В.А.Елисеев, А.А.Зеленов, И.В.Макаров, Я.Н.Куприц, С.Д.Хусид, С.В.Мельников, В.И.Сыроватка и др. Несмотря на всесторонние исследования технологического процесса измельчения зерна в молотковых дробилках, они имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются*. высокая энергоемкость процесса измельчения, высокое содержание в измельченном продукте пылевидной фракции (до 30$) и зачастую несоответствие зоотехническим требованиям. На приготовление одной тонны комбикормов, в зависимости от степени измельчения, расходуется от 40 до 90 № (12...25 кВт*ч) [1]. ^ Изучение состояния вопроса совершенствования машин для измельчения зерна показало, что в применяемых конструкциях не используются такие менее енергоемкие способы измельчения, как скалывание и срез.
Таким образом, разработка конструктивно-технологической ^ схемы о включением вопросов по совершенствованию рабочих органов измельчителя зерна, позволякщего получать продукт заранее заданной крупности (модуля помола), повышению производительности, снижению удельной енерго- и металлоемкости является актуальной.
Обоснование необходимости измельчения кормов» механизм и способы их измельчения
Независимо от вида корма, предназначенного для животных, его необходимо готовить в соответствии с зоотехническими требованиями. По роду затраченной енергии обработку корма делят на механическую, тепловую, химическую, биологическую и биохимическую.
При механическом способе приготовления кормов самым распространенным и обязательным является измельчение. При размоле, дроблении и плющении зерна разрушается твердая оболочка, облегчается разжевывание, питательные вещества становятся более доступными пищеварительным сокам, в результате более полно и без потерь используются организмом животных.
Н.Ф.Ткачев [2] и другие ученые [3-6] на опытах доказали необходимость измельчения зерна. Данные о влиянии степени измельчения зерна на суточные привесы откармливаемых свиней приведены в табл. 1.1 [2,7].
Крупность измельчаемого зерна зависит от вида и возраста животных, для которых предназначается корм. Различают три степени помола, которые характеризуются средними размерами частиц (модуля): мелкий (0,2...1,0 мм), средний (1,0...1,8 мм) и крупный (1,8...2,6 мм). Г.М.Кукта [83 и другие ученые утверждают, что для каждого вида животных существуют свои допустимые границы степени измельчения, нарушение которых ведет к перерасходу кормов. Для крупного рогатого окота применяют средний и крупный помол, для свиней - мелкий [6,7,9,10]. Наличие в комбикорме большого количества мучнистой фракции оказывает отрицательное влияние на организм животных. поросят и телят задерживается рост» снижаются привесы и возникают заболевания желудка [6,11,12].
Из сказанного можно сделать заключение, что процессу измельчения корма должно придаваться исключительно важное значение, так как применение продукта требуемой степени измельчения позволит резко повысить перевариваемость кормов, уменьшить расход кормовых материалов, сохранить значительное количество анергии организма животного за счет уменьшения затрат на усвоение корма, что в конечном счете скажется на получении высоких привесов при выращивании и откорме животных.
Под измельчением зерна, как и другого твердого тела, понимают процесс разделения его на части путем приложения внешних сил, превосходящих силы молекулярного сцепления частиц тела. Из работ академиков А.Ф.Иоффе, П.А.Ребиндера и И.Я.Френкеля известно, что твердое, тело характеризуется наличием микродефектов, распределенных в толще и частично выходящих на поверхность, которые снижают прочность тела в 100...1000 раз против идеального твердого тела, а процесс деформации твердого тела сводится к увеличению имеющихся размеров и количества дефектов, при определенной плотности которых в теле возникает трещина с размерами, ііревшающими крити- ческие, после чего рост трещины протекает самостоятельно и очень быстро; тело разрушается [13].
Профессор С.В.Мельников относит корма растительного происхождения к группе упруго-вязкопластичеоких материалов и отмечает» что роль различных дефектов и поверхностных микротрещин в процессе разрушения материалов органического происхождения значительно усиливается, так как заметные структурные изменения и трещинооб-разование происходят под влиянием меняющихся условий внешней среды (температуры, влажности воздуха и др.) при хранении и различных технологических процессах, предшествующих измельчению (сушки, транспортировки, хранения и др.). По С.В.Мельникову, корм состоит из двух структурных элементов: скелета, обладающего упругими и пластическими свойствами, и заполнителя, обладающего вязкими свойствами.
Схема процесса деформирования скелета представляется следующим образом. Под действием внешних сил элементы скелета деформируются, а заполнитель оказывает вязкое сопротивление перемещениям частиц скелета, увеличивая тем самым суммарную прочность тела. В телах растительного происхождения предел прочности самого скелета не зависит от времени действия статической нагрузки, величина же вязкого сопротивления заполнителя меняется во времени.
Теоретическое исследование конструктивных и технологических параметров роторно-ножевого измельчителя зерна
Как видно из формул (2.3, 2.4), пропускная способность ротора-распределителя может меняться в зависимости от высоты лопатки h , количества каналов Е (канал заключен между двумя лопатками) или лопаток п_, количество которых зависит от ширины канала Ьы и л к радиуса внутренних концов лопаток R_„, от скорости TLQ_ зерна в Ші Звр канале, которая в свою очередь зависит от угловой скорости « ротора-распределителя и от коэффициента заполнения f. Для определения высоты лопатки необходимо рассмотреть процесс заполнения канала зерном.
Предположим, что лопатка имеет прямоугольную форму, а зерно подается сверху. В этом случае на зерно, как только оно окажется в плоскости лопатки, будут действовать, кроме сил тяжести, центробежная и кориолиеова силы (рис.2.4, а). Кориолисова сила (2пю„ Jf препятствует опусканию зерна вниз по лопатке, так р—р звр как с ее появлением образуется сила трения о лопатку ї трл=2їітар-рїзер Е то ше вРемя Центробежная сила r«a _JR перемещает зерно вдоль лопатки к ножам. За время перемещения на расстояние IR зерно опустится на высоту hz, то есть канал будет заполнен только на вту величину (рис.2.4» б).
С увеличением угловой скорости ротора-распределителя, или ковффициента трения зерна о лопатку f . или времени движения зерна по лопатке ля, или a , t , - одновременно может наступить момент, когда опускание зерна прекратится за счет превышения сил трения над силами тяжести и h_ станет еще меньше. Это видно из условия опускания зерна по лопатке (рис.2.4» а), которое можно выразить неравенством
Предположим, что зерно попадает на лопатки не сверху, а с внутренних торцов, которые образуют перфорированную цилиндрическую поверхность внутри ротора (рис.2.5). В втом случае зерно проходит в каналы только за счет центробежной силы. Для того чтобы оно попало в каналы по всей высоте лопаток, необходимо выдержать условия опускания зерна по образованной цилиндричеокой поверхности внутри ротора-распределителя на эту высоту. Нарушение этого условия, которое заключается в ограничении центробежной силы, приводит к "заклиниванию» зерна на стенках или торцах лопаток цилиндра, то есть к прекращению движения его вниз. Значение угловой скорости, при котором может произойти заклинивание, определяется из условия равновесия системы. Из рис.2.5 находим! «v-ml ,«5-Ая (2.8) или = / (2.9) уменьшается w , а
Следовательно, с увеличением f и R0„ вместе с втим уменьшается и скорость опускания зерна по торцу лопатки V , что ведет к уменьшению производительности ротора-распределителя .
Для устранения этих недостатков, а также учитывая перечисленные условия, предлагаем ступенчатую лопатку (рис.2.6), форму которой в дальнейшем можно принять в виде треугольника. Преимущество такой лопатки очевидно, так как зерна попадают на лопатку одновременно по всей высоте h , отсутствует условие "заклинива vi ниян, а величина опускания h_ для данного условия практически равна нулю. Величину радиуса внутренних концов лопаток R-+. необходимо ЙН связать с производительностью ротора-распределителя. Представим, что зерно движется по каналу, ширина которого равна ширине зерна (Ъ =Ь0), в один ряд, но в несколько слоев. Количество слоев зависит от высоты лопатки: (2.14) где Z (2.15) где гд.к (2.16) В этом случае число зерен, подходящих одновременно к режущим елементам или к наружному краю ротора-распределителя, можно определить по выражению
Исследование параметров процесса резания зерен злаковых культур резцом при статическом и динамическом нагружении
Для исследования ряда зависимостей были разработаны частные методики, по которым определялись физико-механические свойства измельчаемого материала.
При проведении опытов использовались виды и сорта зернового материала, наиболее распространенные в Челябинской области: пшеница "Саратовская-29", ячмень "Красноуфимский-Эб", овес иСельмаи, горох "Удаловский".
По методикам [75,76,773 определены основные физико-механические характеристики зерна (табл.3.1). Данные наших исследований незначительно отличаются от подобных характеристик, приведенных в литературе [28,69,73,79].
При проектировании измельчителя чрезвычайно важно практическое применение зависимостей работы резания от геометрических параметров рабочих органов и от скорости резания.
Несмотря на то, что проведено большое количество исследова ний [23,24,80,81,823 по изучению механических свойств зерна при статическом нагрузкении, втого оказалось недостаточно для представления более полной картины взаимодействия измельчаемого материала с режущим элементом (резцом). Поэтому нами были проведены исследования по определению зависимости работы резания от угла резания а при статическом нагрузкении.
Установка для исследования названного процесса включает в себя резец с различными углами заточки, весы для регистрации взаимодействующей силы мезвду зерном и резцом, устройство для внедрения резца в зерно и устройство для фиксации зерна. Схема установки представлена на рис.3.1.
К основанию электронных весов 1 марки ВЖТ-500 прикреплена стойка 2 с коромыслом 3 от технических весов с призмами. К коромыслу жестко присоединена втулка 5, внутри которой находится цанга для закрепления зерна 9- Выдвижение зерна на величину отрезаемой дольки S осуществляется с помощью винта 4. К коромыслу подсоединен также шток 10, который опирается на чашку 11 весов. Над коромыслом 3 в плоскости резания расположен микрометр 6, который жестко связан со стойкой 2. К микрометру 6 при помощи винта 8 закреплена пластина-нож 7. Каждая грань пластины имеет свой угол заточки, который в данный момент равен углу резания а . Необходимый угол резания устанавливаем путем поворота пластины-ножа вокруг оси.
Отношение плеча от кромки призмы коромысла 3 до лезвия пластины-ножа 7 к плечу от кромки призмы коромысла до оси штока 10 можно изменить путем смещения крепления втулки 5 к коромыслу в ту или другую сторону.
Данная система позволяет определять взаимодействующую силу между зерном и пластиной-ножом с точностью 10"э Н ± 1,5 с учетом того, что относительная ошибка при измерении длины плеч ± 0,5$, а относительная ошибка при определении показания весов ± 1$.
Внедряя в зерно пластину-нож при помощи микрометра 6 по 0,01 мм или более и фиксируя показания весов, получаем диаграмму резания (рис.3-2) и по площади диаграммы определяем работу a„ow, зат-раченную на отрезание одной дольки длиной S:
Анализ физико-механических свойств измельчаемого зерна
Для определения характеристик рабочих органов измельчителя необходимо знать физико-механические свойства зернового материала. Основными его показателями являются: объемная масса, плотность, масса одной тысячи зерен, линейные размеры отдельных зерновок, динамические коэффициенты трения (внутреннего и по стали). Данные показатели определены нами по методикам [75,76,77].
По результатам измерений (ем.табл.3.1) можно судить о том, что зерна злаковых культур имеют форму, близкую к вытянутому эллипсоиду, так как их длина в 2...3 раза больше толщины и ширины, а гороха форма близка к сплющенному эллипсоиду. Поэтому теоретическое допущение об одиночном зерне как эллипсоиде, принятое во второй главе, вполне справедливо.
Как отмечалось в разделах 1.3.1 и 1.3.2, значения геометрических параметров ножа являются одними из самых главных при измельчении различных растительных материалов, однако данных по измельчению зерна резанием в литературе нами не обнаружено. Поэтому мы провели исследование на экспериментальной установке, описанной в разделе 3.2.1, по определению зависимости работы измельчения одиночного зерна от угла резания х при р а зличных величинах отрезаемой дольки S, которые соответствуют мелкому, среднему и крупному модулю помола (табл.4-1). При исследовании использованы зерна пшеницы, ячменя и овса влажностью 13,6...14,2$ различной крупности (мелкие, средние и крупные).
На основании полученых результатов резания при статическом нагружении (прилож.1), сведенных в табл.4.2, были построены графические зависимости работы резания одиночных зерен от угла резания (рис.4.1, 4.2, 4-3).
Анализируя полученные зависимости работы измельчения одиноч ного зерна А„„, при статическом нагружении от угла резания « , изм р приходам к выводу, что работа измельчения минимальна при значениях угла резания а = 18...36, а затем идет значительный рост до максимума при а = 90.
Ha основании данного анализа, а также из условия прочности ножа и конструкции ротора-ножа мы определили, что оптимальным углом резания для разработанного измельчителя, описанного в разделе 3.3, будет а = 33, а углом заточки ножа, рассчитанным по формулам (1.7) и (3.7) - угол у = 24а.
Кроме угла резания, на работу измельчения одиночных зерен различных культур большое влияние оказывает скорость резания. Исследования по определению этого влияния проведены на экспериментальной установке, описанной в разделе 3.2.2. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы: с увеличением скорости резания до некоторого значения работа измельчения значительно уменьшается, затем начинает медленно возрастать; минимальная величина работы измельчения наблюдается при скорости резания 12...16 м/с; работа измельчения о углом резания а = 36 незначительно больше, чем с углом резания а = 18, что подтверждает правиль-ность выбора ножа с углом резания а = 33 в экспериментальной установке для измельчения зерна.
С целью проверки формулы (2.61) по определению производительности измельчителя на экспериментально-лабораторной установке (см.рис.3.5, 3.6) были проведены следующие опыты. Зерновой материал (пшеница, ячмень, овес) измельчали с трехкратной повторное-тью на роторах-распределителях и роторах-ножах с диаметрами 150, 200, 250 мм и при скорости резания 12, 14, 16 м/с. По результатам исследований (см.раздел 4.3), ети скорости являются оптимальными.
Для исследований были изготовлены роторы-распределители и роторы-ножи со следующими параметрами. У роторов-распределителей ширина канала ь по внутреннему радиусу к__ (см.рис.2.10, 2.11) К НИ принята равной 10 мм из расчета максимальной ширины зерна (гороха). Угол наклона каналов к плоскости диска, с учетом коэффициента трения зерна по металлу, а = 44,6. Ширина щели Ь по радиусу к к R равна 14 мм, а по радиусу R для ротора с диаметром 150 мм Ъ = 18,4 мм, с диаметром 200 мм Ъ = 19,4 мм, с диаметром 250 мм к Ь = 22,2 мм. Угол 0 (см.рис.2.14, б) равен 45. Количество кана is, ЛОБ V равно 12, 18, 24 при диаметрах 150, 200 и 250 мм соответственно.
У роторов-ножей угол наклона ножей к касательной или угол резания а (см.рис.2.12), как следует из раздела 4.2, равен 33, а угол заточки ножа у = 24 (см.рис.1.8, б). Расстояние между лезвиями ножей I (ом.рис.2.12) по внутреннему периметру ротора-ножа из конструктивных соображений для всех роторов принято одинаковым, поэтому количество ножей Z составляет 27, 36 и 45 при диаметрах роторов 150, 200 и 250 мм соответственно. Используя формулы (2.72, 2.38, 2.39, 2.40, 2.71), мы определили угловые скорости роторов-распределителей а_ и роторов ножей а_ „ для скорости резания v , равной 12, 14, 16 м/с. Значе р-н р ния угловых скоростей приведены в прилож.З- При проведений экспериментов мы максимально придерживались этих значений.
Определив производительность Q измельчителя експериментально, мы сравнили ее с расчетными значениями Q (прилож.З), опреде-ленными по формуле (2.61). Графические зависимости приведены на рис4.7, 4.8 и 4-9.
