Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Характеристика концентрированных кормов и их энергетическая ценность 8
1.2. Зоотехнические требования к технологии приготовления концентрированных кормов 10
1.3. Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок
1.4. Обзор конструкций циклонов 27
1.5. Обзор конструкций сепарирующих поверхностей 29
1.6. Способы сепарации измельчаемого материала вне дробильной камеры 31
1.7. Обзор научных работ по исследованиям процессов измельчения зерна 35
1.8. Цель и задачи исследования 43
Теоретическое обоснование конструктивно - технологических параметров сепарирующего решета 44
2.1. Конструктивно-технологическая схема модели циклона-сепаратора молотковой дробилки зерна
2.2. Исследование движения частицы материала в цилиндрической части сепарирующего решета 45
2.3. Исследование движения частицы материала в конической части сепарирующего решета 54
3. Программа и методика экспериментальных исследований 66
3.1. Программа экспериментальных исследований 66
3.2. Методика экспериментальных исследований 66
3.2.1. Приборы и аппаратура 66
3.2.2. Лабораторная установка 68
3.2.3. Определение основных показателей процесса измельчения зерна в дробилке кормов 72
3.2.4. Выбор критериев оптимизации 75
3.2.5. Методика определения физико-механических и технологических свойств измельчаемого зерна 76
3.2.6. Методика проведения многофакторного эксперимента 77
4. Результаты экспериментальных исследований дробилки зерна 81
4.1. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на рабочий процесс дробилки
4.1.1. Исследование влияния величины подачи исходного материала на показатели рабочего процесса дробилки
4.1.2. Влияние зазора между молотками и декой на показатели рабочего процесса дробилки
4.1.3. Влияние диаметра отверстий сепарирующего конического решета на гранулометрический состав готового продукта 86
4.1.4. Исследование влияния диаметра отверстий цилиндрической части решета на рабочий процесс дробилки 89
4 4.1.5. Исследование влияния диаметра впускного воздуховода на рабочий процесс дробилки
4.2. Оптимизация параметров рабочего процесса дробилки кормов.. 94
4.3. Результаты производственных испытаний 102
5. Эффективность работы дробилки кормов 103
Общие выводы 107
Список использованных источников 108
Приложения 121
- Зоотехнические требования к технологии приготовления концентрированных кормов
- Исследование движения частицы материала в цилиндрической части сепарирующего решета
- Определение основных показателей процесса измельчения зерна в дробилке кормов
- Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на рабочий процесс дробилки
Введение к работе
Обеспечение потребностей животноводческой отрасли страны собственными высококачественными кормами является одной из важнейших задач отечественного сельскохозяйственного производства.
Решение этой задачи во многом зависит от уровня технических средств и способов переработки зерна. Эффективное и своевременное проведение этой технологической операции снижает потери и себестоимость приготовления кормов. В последнее время Российская промышленность резко сократила выпуск технических средств для отрасли животноводства, большинство из них закупается в странах ближнего и дальнего зарубежья, при этом поставляемое оборудование не в полной мере соответствует потребностям конкретного предприятия [111].
В Российской Федерации на кормовые цели расходуется до 50 млн.т. фуражного зерна [2]. Основными машинами для измельчения зерна в комбикормовой промышленности и сельскохозяйственных предприятиях являются молотковые дробилки. В инженерном отношении изучение процесса измельчения зерна имеет важное значение, так как эта операция является наиболее энергоёмкой и дорогостоящей.
Цель исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования молотковой дробилки путём совершенствования способа сепарации воздушно-продуктовой смеси в циклоне-сепараторе.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбраны технологические процессы измельчения зерна в дробилке и сепарации дерти в циклоне-сепараторе.
Предмет исследования. Технологический процесс измельчения зерна и сепарации дерти.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и разработанные нами методики с применением физического и математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами с использованием теории многофакторного эксперимента. Результаты экспериментов обрабатывались при помощи пакетов стандартных компьютерных программ «Excel», «MathCAD», «Statgraphics 3.0».
Научная новизна работы заключается в следующем: -обоснована конструктивно-технологическая схема дробилки зерна с циклоном-сепаратором (патент на полезную модель РФ № 83946); получены аналитические зависимости, позволяющие определить параметры сепарирующего решета в зависимости от требуемого размера измельченных частиц; получены эмпирические модели, позволяющие оптимизировать конструктивно-технологические параметры модернизированной молотковой дробилки зерна, обеспечивающей получение готового продукта, соответствующего зоотехническим требованиям для всех групп сельскохозяйственных животных, при минимальных энергозатратах.
Достоверность основных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями, положительными результатами приемочных испытаний и эксплуатации опытного образца молотковой дробилки зерна в СПК "Валожикьинский".
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Проведенные исследования позволили усовершенствовать дробилку зерна, обладающую высоким качеством выполнения технологического процесса, низким удельным расходом энергии и обеспечивающую производительность до 2 т/ч.
Результаты могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями.
Опытный образец машины внедрён в СПК "Валожикьинский" Можгинского района Удмуртской Республики.
7 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 X Международной конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич 16.09 - 17.09.08г.); — на VIII выставке-сессии инновационных проектов республиканского молодёжного форума (г. Ижевск 15.10 - 16.10.09г.). Проект удостоен диплома первой степени.
По материалам исследований опубликовано семь научных работ, в том числе получен патент РФ на полезную модель.
На защиту выносятся следующие положения: -конструктивно - технологическая схема дробилки зерна с циклоном -сепаратором; -теоретическое обоснование параметров циклона - сепаратора; -оптимальные конструктивно-технологические параметры модернизированной молотковой дробилки зерна; -результаты производственных испытаний дробилки с циклоном -сепаратором, её энергетическая и экономическая эффективность.
Автор считает необходимым отметить, что экспериментальные исследования молотковой дробилки зерна проведены под руководством кандидата технических наук, доцента В.И. Широбокова и при участии инженеров кафедры «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА и выражает им глубокую благодарность.
Зоотехнические требования к технологии приготовления концентрированных кормов
Наиболее эффективной формой использования концентрированных кормов и кормовых добавок в животноводстве являются комбикорма и получаемые на их основе кормовые смеси. Зоотехнические требования к концентрированным кормам предусматривают выполнение следующих операций [1,48,60,61,62,89]:
Очистка от минеральных, органических примесей на зерноочистительных машинах (сепараторы, бураты, грохоты и другие) и от металлических примесей — на магнитных колонках (сепараторах). Содержание минеральных примесей (песок) в комбикормах допускается не более: 0,3 % - для поросят-отъёмышей; 0,5 % — для молодняка, маток, свиней беконного и мясного откормов; 0,7 % — для откорма свиней до жирных кондиций и маток, подготовленных к случке (ГОСТ 9267 - 68) [14].
Содержание золы, не растворяемой в соляной кислоте, в комбикормах допускается не более: 0,3 % - для цыплят; 0,5 % - для молодняка кур и бройлеров (ГОСТ 18221 - 72) [16], для выращивания и откорма крупного рогатого скота (КРС) в животноводческих комплексах (ГОСТ 9268 - 90) [15]; 0,7 % - для свиней (ГОСТ 9267 - 68) [14]; 1,0 % - для кур-несушек.
Содержание металломагнитных примесей размером до 2 мм допускается на 1 кг корма не более: 10 % - для поросят-отъёмышей; 15 % — для выращивания и откорма крупного рогатого скота в животноводческих комплексах (ГОСТ 9268 - 90) [15]; 20% - для цыплят молодняка кур и бройлеров (ГОСТ 18221 - 72) [16]; 25 % — ремонтного молодняка свиней в возрасте от четырех до восьми месяцев; 30 % — для кур-несушек и свиней. Наличие металломагнитных частиц больше 2 мм и с острыми краями не допускается. 2. Измельчение — самая распространённая и важная операция в технологическом процессе подготовки кормов к скармливанию сельскохозяйственным животным, обусловленная требованиями физиологии их кормления. Так как питательные вещества усваиваются организмом животного только в растворенном виде, то скорость обработки частиц корма желудочным соком прямо пропорциональна площади их поверхности. В результате измельчения кормов образуется множество частиц с большой общей площадью поверхности, что способствует ускорению пищеварения и повышению усвояемости питательных веществ. Зерно до заданного размера измельчают различными способами: на дробилках, мельницах или плющилках, причем измельчают как сухое зерно, так и зерно повышенной влажности [125]. В соответствии со стандартом на комбикорма различают три степени помола, которые характеризуются средними размерами частиц (модулем): от 0,2 до 1,0 мм - мелкий; от 1,0 до 1,8 мм — средний; от 1,8 до 2,6 мм - крупный помол. Оптимальный размер измельченных частиц комбикормов для животных различных видов и возрастных групп неодинаков. Так для поросят-сосунов 0,7...0,8 мм, поросят-отъемышей - 0,9...1,1 мм, свиней беконного откорма — 1,2...1,6 мм, для крупного рогатого скота — не выше Змм, для сельскохозяйственной птицы - до 2...3 мм при сухом кормлении и до 1 мм, при кормлении влажными мешанками [14,15,16,60,101,102]. Для оценки качества измельчения концентрированных кормов используется нормативно-техническая документация ГОСТ 28098 - 89 [17], в котором указаны следующие основные показатели: массовая доля остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм и массовая доля целых зёрен. Количественные значения вышеуказанных показателей для разных групп сельскохозяйственных животных установлены ГОСТ 9268 - 90 (для крупного рогатого скота) [15], ГОСТ 9267 - 68 (для свиней) [14], ГОСТ 21055 - 96 (для беконного откорма свиней) [20], ГОСТ 13299 - 71 (для поросят-сосунов) [19], ГОСТ 18221 - 72 (для сельскохозяйственной птицы) [16], ГОСТ 10199-81 (для овец) [18]. Требования, предъявляемые этими стандартами к качеству измельчения, приведены в таблице 1.1. Однако следует заметить, что чрезмерное измельчение концентрированных кормов до состояния пыли также снижает эффективность их использования [93], а вдыхание животным вместе с воздухом пыли может привести к заболеваниям легких у животного. Содержание пылевидной фракции (менее 0,25 мм) в измельченном корме должно быть как можно меньше. Так, скармливание животным переизмельчённого продукта приводит к снижению приростов до 15 % и отрицательно влияет на процесс пищеварения вследствие проглатывания животными корма без пережевывания [10,44]. Таким образом, одним из основных требований к измельчителям концентрированных кормов является обеспечение равномерного гранулометрического состава и минимальное содержание пылевидной фракции в готовом продукте [45,60,89,103].
Исследование движения частицы материала в цилиндрической части сепарирующего решета
В научных трудах В.Р. Алёшкина также отмечено, что при проектировании дробилок в первую очередь необходимо подбирать оптимальную окружную скорость вращения молотков, исходя из технических, экономических соображений и вида измельчаемого корма. Соотношение остальных параметров необходимо подбирать как оптимальное при выбранной окружной скорости вращения молотков [60].
Ученые СВ. Мельников и Ф.С. Кирпичников [68] считают, что для увеличения окружной скорости вращения молотков нужно не повышать частоту вращения ротора, а увеличить диаметр ротора по концам молотков. Однако при этом необходимо учитывать оптимальное соотношение длины и ширины ротора. Авторы работ [41,47,60] указывают на то, что при измельчении зерна пропускная способность дробилок с чешуйчатыми решётами выше, чем у гладких решёт при меньшей площади сепарирующей поверхности. Применение вместо гладких или чешуйчатых решёт колосниковой решётки, образованной параллельно установленными элементами квадратного сечения, позволяет плавно регулировать степень измельчения материала за счёт изменения зазоров между элементами путём поворота их вокруг своей продольной оси. Кроме того, надёжность колосниковой решётки гораздо выше, чем решета, так как при аварийной ситуации крупные посторонние твёрдые предметы (гайки, болты и т.п.), попавшие в дробильную камеру, моментально выводят решето из строя в отличие от колосниковой решётки [82,89,114]. Ученые А.А. Суднеев и В.Г. Певнев [76] считают, что лучше использовать в дробилках зерна комбинированное сепарирующее решето, состоящее из перфорированных участков с отверстиями круглой формы и сплошных рифлёных участков. Такая конструкция решета способствует торможению воздушно-продуктового потока измельчаемого материала и, как следствие - более эффективному измельчению. В Орловском государственном аграрном университете [77] разработана молотковая дробилка зерна, в которой сепарирующее решето выполнено в виде сегментов, эффективность дробления в данной дробилке также повышается за счёт уменьшения скорости воздушно-продуктового слоя. Некоторые авторы одним из путей повышения эффективности измельчения считают изменение конструкции молотков [64,75,79,89,109]. Молотки изготавливают из марганцовистой стали марки 65Г или из углеродистой стали с наплавкой рабочих кромок сормайтом. В.И. Сыроватка на основании проведённых исследований предложил свою конструкцию рабочих органов дробилки: молоток и комбинированное решето (рис. 1.16). Рабочие органы дробилки выполнены таким образом, что они обеспечивают максимальное разрушение крупных частиц, которые находятся на рабочей поверхности решета, и минимальное разрушение мелких, которые располагаются на поверхности слоя. Рабочая часть молотка сверху закруглена, а внизу имеет зубцы. Закруглённая часть молотков при перемещении их в слое измельчаемого материала прижимает продукт к рабочей поверхности решета и способствует выходу мелких частиц, находящихся на поверхности слоя, из дробильной камеры. Нижняя часть молотка ударяет частицы со скоростью, близкой к скорости молотка. При этом происходит эффективное разрушение. Кроме того, при минимальном зазоре между концами молотков и решетом часть материала разрушается скалыванием или стиранием. Комбинированное решето отличается от тёрочного тем, что у него между выступами имеются отверстия, через которые из дробильной камеры удаляются достаточно мелкие частицы [64]. Для повышения эффективности измельчения при сохранении уравновешенности молотков на удар ученым П.А.Савиных [89] предложена конструкция блочного молотка, состоящая из несущего молотка 1 и дополнительного молотка 2, закреплённого шарнирно за счет оси 3 и втулки 4 (рис. 1.17). Автор утверждает, что данная конструкция молотков позволит увеличить интенсивность измельчения материала вследствие увеличения ударных импульсов, передаваемых частицам измельчаемого материала, а также за счет вращения дополнительных молотков произойдет перемешивание измельчаемого слоя, что может привести к снижению энергоёмкости процесса измельчения и выравниванию гранулометрического состава измельчаемого продукта.
Определение основных показателей процесса измельчения зерна в дробилке кормов
В научных трудах В.Р. Алёшкина также отмечено, что при проектировании дробилок в первую очередь необходимо подбирать оптимальную окружную скорость вращения молотков, исходя из технических, экономических соображений и вида измельчаемого корма. Соотношение остальных параметров необходимо подбирать как оптимальное при выбранной окружной скорости вращения молотков [60].
Ученые СВ. Мельников и Ф.С. Кирпичников [68] считают, что для увеличения окружной скорости вращения молотков нужно не повышать частоту вращения ротора, а увеличить диаметр ротора по концам молотков. Однако при этом необходимо учитывать оптимальное соотношение длины и ширины ротора.
Авторы работ [41,47,60] указывают на то, что при измельчении зерна пропускная способность дробилок с чешуйчатыми решётами выше, чем у гладких решёт при меньшей площади сепарирующей поверхности. Применение вместо гладких или чешуйчатых решёт колосниковой решётки, образованной параллельно установленными элементами квадратного сечения, позволяет плавно регулировать степень измельчения материала за счёт изменения зазоров между элементами путём поворота их вокруг своей продольной оси. Кроме того, надёжность колосниковой решётки гораздо выше, чем решета, так как при аварийной ситуации крупные посторонние твёрдые предметы (гайки, болты и т.п.), попавшие в дробильную камеру, моментально выводят решето из строя в отличие от колосниковой решётки [82,89,114]. Ученые А.А. Суднеев и В.Г. Певнев [76] считают, что лучше использовать в дробилках зерна комбинированное сепарирующее решето, состоящее из перфорированных участков с отверстиями круглой формы и сплошных рифлёных участков. Такая конструкция решета способствует торможению воздушно-продуктового потока измельчаемого материала и, как следствие - более эффективному измельчению. В Орловском государственном аграрном университете [77] разработана молотковая дробилка зерна, в которой сепарирующее решето выполнено в виде сегментов, эффективность дробления в данной дробилке также повышается за счёт уменьшения скорости воздушно-продуктового слоя. Некоторые авторы одним из путей повышения эффективности измельчения считают изменение конструкции молотков [64,75,79,89,109]. Молотки изготавливают из марганцовистой стали марки 65Г или из углеродистой стали с наплавкой рабочих кромок сормайтом. В.И. Сыроватка на основании проведённых исследований предложил свою конструкцию рабочих органов дробилки: молоток и комбинированное решето (рис. 1.16). Рабочие органы дробилки выполнены таким образом, что они обеспечивают максимальное разрушение крупных частиц, которые находятся на рабочей поверхности решета, и минимальное разрушение мелких, которые располагаются на поверхности слоя. Рабочая часть молотка сверху закруглена, а внизу имеет зубцы. Закруглённая часть молотков при перемещении их в слое измельчаемого материала прижимает продукт к рабочей поверхности решета и способствует выходу мелких частиц, находящихся на поверхности слоя, из дробильной камеры. Нижняя часть молотка ударяет частицы со скоростью, близкой к скорости молотка. При этом происходит эффективное разрушение. Кроме того, при минимальном зазоре между концами молотков и решетом часть материала разрушается скалыванием или стиранием. Комбинированное решето отличается от тёрочного тем, что у него между выступами имеются отверстия, через которые из дробильной камеры удаляются достаточно мелкие частицы [64]. Для повышения эффективности измельчения при сохранении уравновешенности молотков на удар ученым П.А.Савиных [89] предложена конструкция блочного молотка, состоящая из несущего молотка 1 и дополнительного молотка 2, закреплённого шарнирно за счет оси 3 и втулки 4 (рис. 1.17). Автор утверждает, что данная конструкция молотков позволит увеличить интенсивность измельчения материала вследствие увеличения ударных импульсов, передаваемых частицам измельчаемого материала, а также за счет вращения дополнительных молотков произойдет перемешивание измельчаемого слоя, что может привести к снижению энергоёмкости процесса измельчения и выравниванию гранулометрического состава измельчаемого продукта.
Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на рабочий процесс дробилки
Для экспериментальной проверки выполненных усовершенствований и определения влияния величины подачи зерна на рабочий процесс дробилки кормов при измельчении зерна, а также для оценки целесообразности включения данного фактора в матрицу многофакторного эксперимента, были проведены исследования с использованием методов однофакторного эксперимента. При этом оценивалось влияние величины подачи на качество готового продукта и технологический процесс, характеризуемый модулем помола dcp, остатком на сите Р3 и энергоёмкостью рабочего процесса Э дробилки кормов [60,88,126].
Исследования проводились на зерне ячменя сорта Раушан влажностью 12,5...12,9 % с эквивалентным диаметром зерна 4,53 мм при величине зазора между молотками ротора и декой Zd=6 мм, при диаметре отверстий сепарирующего конуса dome= 6 мм, при диаметре воздуховода на входе в циклон дробилки D=148 мм, частоте вращения ротора п = 2725 мин" , окружной скорости молотков v =71,3 м/с. Опыты проводились при номинальной загрузке электродвигателя ротора в трехкратной повторности. Гранулометрический состав готового продукта, полученного в результате проведения опытов, представлен в таблице 4.1.
Помольные характеристики крупности (графическое изображение гранулометрического состава) измельченного продукта при работе дробилки по вышепредложенным режимам представлены в приложении А.
По результатам анализа помольных характеристик можно сделать вывод, что с увеличением подачи происходит снижение процентного содержания в готовом продукте целых зерен. Содержание остатка на сите 0 3 мм при увеличении подачи уменьшается с 2,50 % при 0=0,70 т/ч, до 0 % при О = 1,45 т/ч. Максимальное содержание пылевидной фракции наблюдается при величине подачи, равной Q= 1,45 т/ч, остаток на сите 0 0,25 мм при этом составляет 4,7 %. С учетом требований ГОСТа и зоотехнических требований к кормам при величине подачи ?=0,70 т/ч и О = 2,20 т/ч измельченный продукт подходит для кормления всех групп животных.
С увеличением подачи возрастают удельные энергозатраты, но при этом происходит уменьшение среднего размера частиц (модуля помола). На рис. 4.1 представлены зависимости модуля помола dcp, остатка на сите Р3 и удельных энергозатрат Э от величины подачи измельчаемого зерна, которая регулировалась изменением величины открытия заслонки ZQ. Характерной особенностью полученных зависимостей является то, что с увеличением подачи на интервале {Q = 0,70...1,45 т/ч) модуль помола снижается с =1,63 мм до dcp=\,35 мм, а при дальнейшем увеличении подачи величина модуля помола начинает возрастать и при Q = 2,20 т/ч она составляет dcp=\,32 мм. При подаче Q = 0,70 т/ч величина удельных энергозатрат равна Э — 4,82 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), затем с увеличением подачи до значения Q =1,56 т/ч происходит снижение до Э = 3,70 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), а далее начинается рост удельных энергозатрат. Наименьшее значение остатка на сите Р3=0 наблюдается при величине подачи, равной Q= 1,45 т/ч. drn, Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что изменение подачи зерна оказывает значительное влияние на работу зерновой дробилки, поэтому целесообразно включить данный фактор в матрицу плана многофакторного эксперимента. 4.1.2. Влияние зазора между молотками и декой на показатели рабочего процесса дробилки Большинство исследований, проведённых рядом авторов [60,88,89,106,90], направленных на изучение влияния величины зазора между молотком и декой на рабочий процесс молотковых дробилок, были проведены на дробилках, сепарирующее решето которых установлено непосредственно в дробильной камере. В нашем случае такого решета нет, поэтому, чтобы оценить влияние данного фактора, были проведены экспериментальные исследования. Исследования проводились на зерне ячменя сорта Раушан влажностью 12,5...12,9 % с эквивалентным диаметром зерна 4,53 мм при величине подачи О = 0,70 т/ч, при диаметре отверстий сепарирующего конуса dom6- 6 мм, диаметр воздуховода на входе в циклон дробилки оставался стандартным / =148мм, частота вращения ротора п = 2725 мин"1, окружная скорость молотков v = 71,3 м/с. Опыты проводились при номинальной загрузке электродвигателя ротора в трехкратной повторности.
Полученный гранулометрический состав готового продукта представлен в таблице 4.2. Анализ помольных характеристик (приложение Б) показывает, что изменение величины зазора между молотком и декой приводит к значительным изменениям в гранулометрическом составе измельченного продукта, а именно с увеличением зазора 2д происходит увеличение процентного содержания в готовом продукте целых зёрен. Содержание остатка на сите 0 3 мм при увеличении зазора Z увеличивается с 0,3 % при Zd =2 мм, до 2,5 % при Zd —в мм. Максимальное содержание пылевидной фракции наблюдается при Zd = 2мм, остаток на сите 0 0,25мм при этом составляет 5,4 %. С учётом требований ГОСТа и зоотехнических требований к кормам при зазоре Z =2 мм и Zd =4 мм измельченный продукт подходит для кормления всех групп животных. При Zs =6 мм получаются корма, пригодные для кормления сельскохозяйственной птицы.
