Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1. Народнохозяйственное значение утилизации древесных отходов и проблемы их промышленной переработки на корм 7
1.2. Технологическое оборудование для измельчения древесных отходов 12
1.3. Некоторае физико-механические свойства древесины и особенности ее ударного разрушения 23
1.4. Анализ научно-исследовательских работ по измельчению различных сельскохозяйственных культур молотковыми дробилками 26
1.5. Выводы, цель и задачи исследования . 36
2. Теоретические исследования
2.1. Определение критических скоростей удара 39
2.1.1. Определение критической скорости при ударе молотка вдоль волокон измельчаемого отрезка 40
2.1.2. Определение критической скорости при ударе молотка поперек волокон измельчаемого отрезка 51
2.2. Выводы . 68
3. Программа й методика экспешмтальных исследований
3.1. Программа исследований 72
3.2. Методика экспериментальных исследований
3.2.1. Характеристика измельчаемого материала
3.2.2. Экспериментальные установки 73
3.2.3. Методика измерения исследуемых величин, приборы и оборудование 79
3.2.4. Методика определения критической скорости удара 86
3.2.5. Методика исследования влияния технологических и конструктивных параметров молотковой дробилки на ее пропускную способность, энергоемкость и качество процесса измельчения
3.2.5.1. Методика исследования влияния окружной скорости молотков на работу сепарирующей деки 88
3.2.5.2. Методика исследования влияния угла охвата деки на пропускную способность деки, энергоемкость и качество измельчения 89
3.2.5.3. Методика исследования влияния технологических и конструктивных параметров молотковой дробилки на основные показатели работы 7
3.2.6. Методика определения оптимальных значений исследуемых параметров, обеспечивающих минимальную энергоемкость процесса измельчения 93
3.2.7. Методика обработки экспериментальных данных \ .
4. Результаты и шализ эюперимштальшх исслвдовіший
4.1. Экспериментальное определение критической скорости удара 97
4.2. Исследование влияния параметров деки на основные показатели работы молотковой дробилки
4.2.1. Исследование влияния окружной скорости молотков на сепарирующую способность деки .ЮЗ
4.2.2. Исследование влияния угла охвата сепарирующей деки на пропускную способность деки, качество и энергоемкость измельчения Ю6
4.3. Экспериментальное определение влияния технологических и конструктивных параметров молотковой дробилки на основные показатели работы 107
4.3.1. Вывод уравнений регрессии
4.3.2. Анализ полученных зависимостей .110
4.3.2.1. Влияние исследуемых факторов на качество измельчения древесных отходов
4.3.2.2. Влияние исследуемых факторов на пропускную способность молотковой
дробилки . ІІ4
4.3.2.3. Влияние исследуемых факторов на мощность, затрачиваемую на измельчение *18
4.3.2.4. Влияние исследуемых факторов на удельную энергоемкость процесса измельчения с учетом достигнутого качества *22
4.4. Определение оптимальных значений исследуемых параметров молотковой дробилки, обеспечивающих минимальную удельную энергоемкость 126
4.5. Номограммы расчета параметров молотковых дробилок для измельчения древесных отходов 129
4.6. Выводы 130
5 . Подтверждение основных положений работы в производственных условиях и оценка экономической эффективности от внедрения результатов исслещовший
5.1. Проверка основных положений работы в производственных условиях 132
5.2. Внедрение результатов работы и задачи дальнейших исследований 142
5.3. Выводы . 143
Общие выводы и предложения 145
Литература 148
Приложения 161
- Народнохозяйственное значение утилизации древесных отходов и проблемы их промышленной переработки на корм
- Определение критической скорости при ударе молотка вдоль волокон измельчаемого отрезка
- Экспериментальные установки
- Методика определения критической скорости удара
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС, последующих пленумов ЦК, Продовольственной программе СССР в качестве одной из главных задач одинадцатой пятилетки предусмотрено выполнение программы, направленной на обеспечение значительного увеличения производства сельскохозяйственной продукции для снабжения населения высококачественными и разнообразными продуктами питания / 70 /.
В целях выполнения задачи увеличения производства мяса до 18;2 млн. тонн и других продуктов животноводства предусмотрено существенное увеличение производства грубых и сочных кормов наряду со значительным ростом производства фуражного зерна.
Большим резервом увеличения производства грубых кормов является использование нетрадиционных источников сырья для их производства, в частности, древесных отходов, образующихся при лесозаготовках, обрезках садов, виноградников и так далее.
В нашей стране разработаны новые технологии получения из различных видов древесных отходов кормовых продуктов и добавок / 135 /. Однако, применяемое в настоящее время технологическое оборудование, используемые в нем измельчающие рабочие органы не позволяют перерабатывать всю биомассу древесных отходов в сырье для кормопроизводства. Кроме того, требуется специальное дополнительное оборудование для разделения древесных отходов по фракциям, ориентации массы относительно измельчающих рабочих органов. Это является причиной малой производительности, ненадежности в эксплуатации, низкой эффективности.
Технологическое оборудование, состоящее из. комплекта машин с рабочими органами разного типа объединенных в одну технологическую линию, лишено вышеперечисленных недостатков. Использование молотковых дробилок,в качестве второй ступени измельчения, в линиях по переработке древесных отходов, позволяет полу-
чать щепу кормового назначения из всей биомассы древесных отходов с заданной производительностью и требуемым качеством.
Имеющиеся в настоящее время научные рекомендации по расчету и обоснованию параметров молотковых дробилок, используемых для измельчения зерновых и стебельных кормов, не могут быть применены в расчетах технологических и конструктивных параметров молотковых дробилок, предназначенных для измельчения древесных отходов, вследствие значительного различия физико-механических свойств измельчаемых материалов.
На основании вышеизложенного целью настоящей работы является исследование особенностей разрушения древесных отходов молотковым рабочим органом, обоснование параметров молотковой дробилки, обеспечивающих получение щепы кормового назначения при минимальных энергозатратах с максимальной производительностью и требуемым качеством.
Народнохозяйственное значение утилизации древесных отходов и проблемы их промышленной переработки на корм
Важную роль в создании прочной кормовой базы животноводства, пополнении ее различными кормами и питательными веществами должен сыграть лес. Ежегодно в нашей стране не используется более 150 млн.м3 древесных отходов, в том числе 45 млн.м3 веток,4Г млн. м3 коры и 26 млн.тонн зелени (табл.1.1) /82 /. Таблица I.I Ресурсы лесных отходов, млн.и ч Вид отходовИсточник ч образования Ч Древесная зелень, млн.т. Кора Кроны,ветви, вершины (без древесной зелени) Столовая древесина (с учетом лиственной, Ресурсы валовые неис-поль-зуе-мые валовые неис-поль-зуе-мые валовые неис-поль-зуе-мые валовые неис-поль-зуе-мые К древесным отходам, потенциально пригодным для использования на кормовые цели относятся древесная зелень, ветви, вершины, кора, кустарник, разнообразные отходы стволовой древесины и другие /135 /. Кроме древесных отходов, образующихся при рубках леса и промышленной переработке древесины, ежегодно образуются многотоннажные древесные отходы при обрезках садовых деревьев в садах, которые являются ценным сырьем для получения кормового гидролизного сахара. Так, например, только в Молдавской ССР при ежегодной обрезке садов образуется 40,2...320,6 тыс.т. садовых обрезков /Z /. К концу XI пятилетки при увеличении площади садов на 65 тыс.га их количество возрастает до 850 тыс.тонн / 76 /.
Использование всего объема древесных отходов при определенной их переработке позволит в значительной мере преодолеть дефицит кормового баланса, составляющий 60...70 млн.т кормовых единиц в год /82, 135 /. Древесные отходы обладают разнообразной и довольно высокой питательной ценностью. Кормовое достоинство отходов тем выше, чем больше в них содержится зелени и коры (табл.1.2) / 135 /. При применении методов глубокой химической обработки (гидролизе) питательная ценность древесных отходов рассматривается в обратной зависимости / 135,82/. Например, если древесина лиственных пород имеет питательность 0,04,..0,15 корм.ед., а хвойных - менее 0,05 кормовых ед.,то в полученном из этой древесины методами глубокой ее переработки кормовом гидролизном сахаре содержится 1,3 и более кормовых единиц /135/. Древесная зелень содержит много питательных веществ (протеина, жира, золы, углеводов), а также витаминов, фитонцидов, хлорофилла и других биологически активных элементов. В отходах, образующихся при окорке древесины, большое количество полисахаридов, специфических (вкусовых, ароматических и других компонентов), жира. Древесные отходы богаты полисахаридами, что делает их перспективным видом сырья для получения высокоэнергетического корма /QZ / Таблица 1.2 Непосредственная кормовая ценность лесных отходов (по укрупненным показателям) шпп Вид отходов Перевариваемость сухого вещества,% Содержание кормовых единиц (в I кг на а.с.в.) Достижения науки и практики в области переработки древесных отходов позволяют создать сырьевую базу для производства разнообразных кормовых продуктов и добавок, так как из них можно получить грубые и сочные корма (веточные хлопья, кормовую муку, лесной силос и так далее), объемистые корма повышенной питательности (лесной комбикорм, осахаренный корм, высокопротеиновый корм и другой), углеводные (кордовые сахара), углеводно-минеральные, углеводно-протеиновые кормовые и витаминные добавки и другие /135/. В лаборатории НИЛкормресурслес ВАСХНИЛ по НЗ РСФСР (г.Пушкин) разработаны новые технологии получения из различных видов древесных отходов кордовых продуктов и добавок. Научно-обоснованные и проверенные практикой возможности основных направлений и приемов получения кормовых продуктов и добавок приведены на рис I.I /135 Л
Древесное сырье, по своему физическому составу, за исключением мелких веток лиственных пород (диаметром до 0,6 см), идущих на непосредственное скармливание нуждается в предварительном измельчении. Степень измельчения сырья определяется последующими приемами обработки и характером получаемого из него кораового продукта. Если корм идет на непосредственное скармливание живот-ным, он должен быть близок по своим физическим характеристикам к обычным грубым кормам, если же он скармливается после специальной подготовки или идет в гидролизное производство, то лредва технологическая щепа Зеленые ветки и вершины, кустарник диаметром 30...50 мм Крупные ветки, вершины,кустарник, мелкие деревья, отходы стволовой древесины Кора Сахаросодер-жащие полупродукты и отходы гидролизного, целлюлозно-бумажного и других производств Резка,волокно Мелкая дроблен-на/резка пушенка Осахаренный Кора из коры Кормовая мука корм Лесной силос Обработанные хлопья Древесноволокнистый корм Лесной комбикорм =Е Корм,обогащенный сахаром и протеином Подготовленные к переработке гидро-лизаты,сульфитные щелока Гранулы брикеты Белковые и витаминные добавки J Консервирующие добавки Рис. I.I. Основные направления и приемы получения кормовых продуктов и добавок II рительное его измельчение необходимо для более эффективного взаимодействия с веществами, применяемыми для повышения его питательной ценности или получения кормового продукта.
Определение критической скорости при ударе молотка вдоль волокон измельчаемого отрезка
При ударе бойка молотка вдоль волокон отрезка измельчаемой древесины происходит его, раскалывание на ; конгруентные слои /26 /. При этом впереди зуба бойка образуется опережающая трещина, аналогичная трещинам, образующимся при резании древесины вдоль волокон, поэтому с механико-математической точки зрения, особого различия между резанием и раскалыванием древесины вдоль волокон не существует. Рассмотрим симметричное раскалывание свободного отрезка древесины на равные части.
Раскалывание производится двугранным симметричным клином, внедряемым в отрезок вдоль его оси силой Р (значение которой было получено в п.2,1.1), лежащей в плоскости симметрии клина (см.рис. 2.3). При решении данной задачи силой трения пренебрегаем. На одну грань резца действуют следующие силы: Р - сила, приложенная к раскалывающему клину в направлении его внедрения; R - сила, направленная перпендикулярно плоскости раскалывания; S - сила, направленная перпендикулярно грани клина. Известно / 26 /# что деформации древесины по плоскости раскалывания, происходящие в направлении, нормальном к этой плоскости, изменяются вдоль оси раскалываемого отрезка по тому же закону, что и деформация упругого основания при оттягивании от этого основания балки, связанной с ним. Откалываемые половинки играют одна по отношению к другой роль упругого основания.
В данной задаче будем сопоставлять раскалывание отрезка древесины с изгибом балки, связанной с упругим основанием, при этом максимальный прогиб половинки отрезка в точке А в рассматриваемый момент будет равен у . Эта величина одновременно представляет собой максимальную деформацию основания в точке А. Рис. 2.3. Схема разрушения отрезка древесины при ударе вдоль волокон Перенесем начало координат в точку
А и для упрощения будем считать, что в этой точке приложена сила К . Уравнение, определяющее U , имеет вид /26. / U = R S =\/ГЧ , ; (2.17) где Ei/ - модуль упругости древесины при изгибе в плоскости волокон; W - момент сопротивления поперечного сечения отрезка древесины; С» - коэффициент упругости основания. Учитывая, что п R = (2.18) «8 Г для LL получаем: U - Р М Г " (2.19) Из определения понятия "коэффициент упругости основания" имеем в» = Щ ; (2.20) где &м - сопротивление основания на единицу длины балки (в данном случае - предел прочности древесины на разрыв поперек волокон)
Подставив в (2.20) выражение для LL из (2.19), окончательно получим Вычисляя выражения, стоящие в правой части формулы (2.21), и сравнивая его с табличным значением [Sg -J » определяем, при каких исходных данных наступает разрушение отрезка измельчаемой древесины. Расчеты выполнялись по специальной программе (см.при-ложёние ) на ЭВМ М-222 для различных пород древесины и исходных данных. На рис. 2.4 а,б представлены зависимости контактной силы Ртах и напряжений &и , возникающих в отрезках древесины различных пород при ударе от скорости молотка.
Зависимости получены для отрезков, имеющих одинаковые размеры и отличающихся по своим физико-механическим свойствам. Как видно из рисунка, разрушение отрезков различных пород при ударе вдоль волокон происходит примерно при одинаковых скоростях: сосна - 1ГМ= 32 м/с; осина -1= 31 м/с; береза - \= 33 м/с. На рис. 2.5. приведены полученные зависимости критической скорости удара от длины и диаметра измельченных отрезков. Была определена область изменения значений критической скорости для каждой породы древесных отходов с учетом размеров исходного материала (см.главу 3) при разрушении его сводобным ударом вдоль волокон (рис. 2.6).
Экспериментальные установки
Во время проведения лабораторных исследований измельчались древесные отходы хвойных (ель, сосна) и лиственных (береза,осина) пород деревьев, являющихся наиболее ценным и характерным сырьем для производства хвойно-витаминной и кормовой муки /135/. Перед проведением экспериментов осуществлялось предварительное измельчение древесных отходов на вальцовой дробилке. При этом определялся диаметр и длина получаемых маломерных отрезков, а также влажность измельчаемой массы. Кривые распределения гранулометрического состава массы представлены на рис, 3,1. Влажность древесных отходов во время экспериментов соответствовала влажности свежесруоленной древесины: хвойные W= 60.,,64%. лиственные W= 70.. J І6
Лабораторные исследования проводились на кафедре "Сельскохозяйственные машины для полеводства" Ростовского-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени института сельскохозяйственного машиностроения на специально изготовленных установках (рис.3.2, 3.3). Лабораторная установка I предназначена для определения критической скорости удара молоткового рабочего органа при различных видах соударения и геометрических размерах отрезков древесины (рис.3.2).
Установка состоит из рамы I, ротора 2 с единичным тензомо-лотком 3 и противовесом 4, подающего устройства 5, установленного на каретке 6, привода вращения ротора, включающего электродвигатель 7 ( N = 20 кВт, ҐІ = 980 мин "1) и вариатор 8 (Л/=20 кВт) привода перемещения каретки 9, состоящего из электродвигателя ( Л/= 6 кВт, П = 1200 мин"1), вариатора ( N - 6 кВт), редуктора ( Л/= 8 кВт), Приводная цепь 10, осуществляющая перемещение каретки с подающим устройством 5, снабжена механизмом натяжения II.
Для обеспечения соударения молотка и отрезка измельчаемой древесины ІЗ в определенной точке бойка, подающее устройство 5 и ротор 2 снабжены механизмом синхронизации 12 вращения молотка и подачи отрезка древесины в зону удара (см.рис.3.5). Техническая характеристика экспериментальной установки I: т Частота вращения ротора, мин х -700...2800 Скорость перемещения каретки, м/с - 0,05 Размеры измельчаемых отрезков: длина, мм -100.,.300 диаметр, мм - 10...50 Лабораторная установка II предназначена для исследования влияния технологических и конструктивных параметров молотковой дробилки на основные показатели ее работы.
Экспериментальная установка II (рис.3.3) состоит из рамы I, на которой установлена исследуемая молотковая дробилка 2 и двух подающих транспортеров 3 и 4, общей длиной 15 м. Молотковая дробилка включает в себя ротор 5 с шарнирно подвешенными молотками 6, верхнюю глухую деку 7, сепарирующую деку 8. Привод вращения ротора состоит из электродвигателя 9 (А/ = 35 кВт, П. =750 мин" 1) Рис. 3.2. Лабораторная установка I для определения критическое скорости удара а) общий вид; б) схема I -рама; 2- ротор; 3- тензомолоток; 4- противовес; 5 -подающее устройство; 6 -карелка; 7- электродвигатель; 8 -вариатор; 9 -привод перемещения каретки; 10 -цепь; II -механизм натяжения; 12 -синхронизирующее устройство; 13 -отрезок древесина. и цепного вариатора 10 с передаточным числом 1 = 4 (Л/ = 35 кВт). Привод вращения транспортеров осуществляется через цепную и ременную передачи двумя электродвигателями II и 12 ( А/ = 3,5 кВт, П as 1400 мин"1), скорость движения полотна транспортеров Т/Тр= 0,75 м/с. Сепарирующая дека подвешивается к раме молотковой дробилки I на специальных регулирующих подвесках 13, которые позволяют перемещать ее в горизонтальном и вертикальном направлениях, чем и достигается изменение зазора между концами молотков и сепарирующей декой Глухая дека устанавливается на раме с помощью оси 14, что позволяет менять деки, имеющие различную форму поверхности. Для проведения скоростной киносъемки с целью изучения процессов, происходящих при измельчении древесных отходов, в боковинах камеры молотковой дробилки вырезаны окна 15, нижний металлический кожух заменяется кожухом из оргстекла. Для определения пропускной способности молотковой дробилки и гранулометрического состава измельченной массы в установившемся режиме, на раме I укреплен отборник 16, представляющий собой ящик с выдвижным дном и крышкой. Просеиваемость деки по длине определялась с помощью специального отборника, состоящего из семи секций (см. рис. 3.4).
Методика определения критической скорости удара
За критическую скорость удара в данном эксперименте принималась скорость молотка,при которой отрезок измельчаемой древесины после соударения с бойком молотка разделялся на 2 части, как при ударе вдоль волокон, так и при ударе поперек волокон. Эксперименты проводились с использованием отрезков древесины,имеющих одинаковую влажность. Размеры отрезков древесины варьировались на уровнях: диаметр Q = 10...50 мм с шагом Дй= 10 мм, при постоянной длине v = 150 мм; длина v = 100... 300 мм с шагом АI = 50 мм при постоянном диаметре 0. = 30 мм. Скорость молотка в опытах варьировалась на уровнях v = ю ... 80 м/с, с шагом ДІЬ= 3 м/с. Характер разрушения отрезков древесины оценивался визуально. Во всех экспериментах записывалась и определялась сила удара. Эксперименты проводились на лабораторной установке I. Точка удара бойка молотка при изменении размеров отрезка и вида соударения определялась углом поворота кулачка, синхронизирующего устройства и сжатием пружины подающего устройства (см.п.3.2.3). Для контроля точки удара боек молотка перед каждым экспериментом окрашивался масляной краской. Число повторностей экспериментов определялось заданной надежностью результатов опыта L =0,95 и допустимой ошибкой & - + 3 (Г и равнялось трем. Исследование влияния размеров исходного измельчаемого материала на величину критической скорости удара проводилось одновременно с экспериментами по определению критической скорости удара по вышеизложенной методике. Методика исследования влияния технологических и конструктивных параметров молотковой дробилки на её пропускную способность,энергоемкость и качество процесса измельчения Из априорной информации и предварительных экспериментов установлено, что наиболее существенно на показатели работы молотковой дробилки влияют следующие независимые факторы: окружная скорость молотков .; !,, (м/с), величина подачи измельчаемого материала Q, ,(кг/с), форма поверхности и размеры глухой и сепарирующей дек, зазор между концами молотков и поверхностью сепарирующей деки «S , (мм). Пропускная способность деки определяет производительность молотковой дробилки. Из априорной информации /73., 96 7 установлено, что наиболее эффективно работают деки, имеющие максимальное живое сечение и обладающие задерживающей способностью» Пред-варительными экспериментами было установлено, что наиболее полно этим требованиям удовлетворяет сепарирующая дека, изготовленная из противорезов и прутков, которые образуют между собой прямоугольные отверстия /36 / Поэтому эксперименты проводились на деке с квадратными отверстиями 40x40 мм с живым сечением F =0,60.
Методика исследования влияния окружной скорости молотков на работу сепарирующей деки Целью настоящих экспериментальных исследований являлось определение влияния окружной скорости молотков на скорость воздушного потока в зарешетном пространстве сепарирующей деки. При проведении данных экспериментов дека молотковой дробилки разбивалась на 7 участков по длине и 3 участка по ширине. С целью исключения краевых эффектов, измерение скорости воздушного потока проводилось на среднем по ширине участка деки. Скорость воздушного потока замерялась с помощью ручного анемометра на холостом ходу молотковой дробилки в соответствии с ГОСТ 10924-64. Окружная скорость молотков варьировалась на трех уровнях: 40 м/с, 50 м/с, 60 м/с. Для определения интенсивности просевания на раму молотковой дробилки крепился специальный отборник проб, состоящий из 7 секций (см.рис. 3.4). Интенсивность просевания на каждом участке и просеваемости по длине деки в каждом эксперименте определялись по формулам (3.5) и (3.6). При этом также определялся гранулометрический состав измельченной щепы. Исследования проводились на лабораторной установке П при следующих значвнжтс. посланных факторов: подача измельчаемой массы CL = 1,5 кг/с, зазор S = 25 мм, угол охвата деки к = 180, влажность древесины W = 64% (ель), W= 80$ (береза), 3.2»5.2. Методика исследования влияния угла охвата деки на пропускную способность деки,энергоемкость и качество измельчения Эксперименты проводились на сепарирующей деке, описанной в п. 3.2.5. Угол охвата деки изменялся специальными пластинами, перекрывающими отверстия деки и варьировался на уровнях b = 120 ...180 с шагом А ?С = 10. Исследования проводились при постоянных значениях следующих параметров: окружная скорость молотков 1 = 50 м/с, подача материала Q. = 1,5 кг/с, зазор 5 = 25 мм, глухая дека - рифленая с противорезами. При проведении данного эксперимента записывалось значение мощности, затраченной на измельчение, по формулам (3.4) и (3.7) определалась пропускная способность дробилки и качество измельченного материала. Опыты проводились с трехкратной повторностьго.
