Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи научного исследования 7
1.1. Классификация процессов измельчения 7
1.2. Зоотехнические требования и физико-механические свойства концентрированных кормов 8
1.3. Технологические схемы молотковых дробилок 13
1.4. Обзор исследований процесса измельчения зерна 26
1.5. Задачи исследований 34
2. Теоретические исследования воздушного потока в обводном канале дробилки 35
2.1. Расчёт усредненного распределения поля скоростей воздушного потока с учётом турбулентного трения в дробильной камере 35
2.2. Экспериментально-теоретические исследования полей скоростей воздушного потока в обводном канале дробилки 49
3. Программа и методика исследований 53
3.1. Программа экспериментальных исследований 53
3.2. Экспериментальная установка для исследования процесса измельчения зерна 53
3.3. Приборы и оборудование для исследования рабочего процесса измельчения 61
3.4. Методика экспериментальных исследований 63
3.4.1. Методика определения основных показателей процесса измельчения в дробилке 63
3.4.2. Методика планирования эксперимента 66
3.5. Методика исследования воздушного потока в обводном канале...68
Результаты экспериментальных исследований 73
4.1. Исследования воздушного потока в обводном канале дробилки без выгрузного устройства 73
4.2. Влияние установки деки на показатели рабочего процесса дробилки 74
4.3. Исследования параметров дефлектора в обводном канале дробилки 81
4.4. Исследования воздушного потока в обводном канале дробилки с выгрузным устройством 88
4.5. Предварительные исследования рабочего процесса дробилки зерна с выгрузным устройством 90
4.6. Определение зоны установки решета 92
4.7. Исследования дробилки зерна с шнековым сепаратором 96
4.8. Экспериментальные исследования дробилки методом многофакторного эксперимента 99
4.9. Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки 104
4.10. Исследования разделения зерновой дерти на фракции 109
Эффективность работы молотковой дробилки 112
5.1. Технико-экономическое обоснование применения дробилки открытого типа с обводным каналом 112
5.2. Расчёт энергетической эффективности 115
Общие выводы 120
Список использованной литературы 122
Приложения 133
- Зоотехнические требования и физико-механические свойства концентрированных кормов
- Расчёт усредненного распределения поля скоростей воздушного потока с учётом турбулентного трения в дробильной камере
- Экспериментальная установка для исследования процесса измельчения зерна
- Влияние установки деки на показатели рабочего процесса дробилки
Введение к работе
Необходимым условием для интенсивного использования животных и наиболее полной реализации их генетического потенциала, с целью увеличения производства животноводческой продукции, является полноценное кормление при обеспечении отрасли животноводства достаточным количеством кормов хорошего качества [42, 93].
Основной фактор, определяющий эффективность производства мяса, молока и других продуктов животноводства, это приготовление кормов - наиболее трудоёмкий и энергоёмкий технологический процесс, требующий применения сложных технических средств [44].
Измельчение является самым распространённым способом приготовления концентрированных кормов.
В настоящее время существует большое количество молотковых дробилок различных конструкций, используемых в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.
В последние годы всё большее применение находят дробилки открытого типа, что связано с меньшей энергоёмкостью и большей надежностью. Данный тип дробилок позволяет использовать скорость воздушного потока для своевременной эвакуации, а также сепарирования материала.
Однако широкое применение дробилок требует их дальнейшего совершенствования для улучшения качественных характеристик получаемого продукта и снижения энергоёмкости рабочего процесса при измельчении зернового материала.
Целью исследований является повышение эффективности рабочего процесса измельчения зерна в молотковой дробилке открытого типа за счёт совершенствования технологической схемы и оптимизации конструктивно-технологических параметров.
Научную новизну работы составляют:
- молотковая дробилка зерна открытого типа со шнеком и дефлектором,
расположенными в центре обводного канала (патент на полезную модель № 48818 РФ МПК7 В 02 С 13/02);
теоретическое обоснование поля скоростей воздушного потока в обводном канале дробилки с использованием метода конечных элементов;
результаты экспериментальных исследований: поля скоростей воздушного потока в области течения; математические модели рабочего процесса, позволяющие определить оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки зерна.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанной конструкции дробилки в сельскохозяйственном производстве для измельчения концентрированных кормов. Результаты исследований переданы в конструкторское бюро ООО "ДОЗА-АГРО" (610014, г. Киров, ул. Щорса 95).
Работа выполнена в соответствии с планом научно- исследовательских работ НИИСХ Северо-Востока им. Н. В. Рудницкого (тема 02.04.01 с Россель-хозакадемией, номер государственной регистрации 01.200.2 03090).
На защиту выносятся следующие основные положения:
конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки открытого типа с обводным каналом, дефлектором и шнековым сепаратором для разделения измельчаемого материала на фракции;
конечно-элементная модель усреднённого поля скоростей воздушного потока в обводном канале дробилки с учётом турбулентного трения;
результаты исследований рабочего процесса дробилки зерна и её оптимальные конструктивно-технологические параметры.
энергетическая эффективность работы дробилки.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях в Вятской государственной сельскохозяйственной академии (2005, 2006 гг.).
Основное содержание диссертации изложено в 8 научных публикациях, в том числе патенте на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 113 наименований и 11 приложений. Работа содержит 162 страницы, 76 рисунков, 16 таблиц.
Зоотехнические требования и физико-механические свойства концентрированных кормов
Эффективной формой использования концентрированных кормов в животноводстве являются комбикорма, представляющие собой однородную и сложную смесь очищенных и измельчённых различных кормовых средств.
Зоотехническими требованиями предусмотрены следующие операции по приготовлению концентрированных кормов [34]: 1. Очистка от земли, камней, семян сорных растений и соломистых примесей на зерноочистительных машинах и от металлических примесей на магнитных сепараторах. Согласно ГОСТ 9267-70, содержание минеральных примесей (песок) в комбикормах допускается не более: 0,3 % - для цыплят, поро-сят-отъёмышей и телят молочного периода; 0,5 % - для молодняка крупного рогатого скота и свиней; 0,7 % для коров и свиней. Содержание металломагнитных примесей размером до 2 мм с неострыми краями допускается на 1 кг корма не более: 10 мг - для поросят-отъемышей; 15 мг - для выращивания и откорма крупного рогатого скота в животноводче 9 ских комплексах (ГОСТ 9268-90) [28]; 20 мг - для цыплят молодняка кур и бройлеров (ГОСТ 18221-72) [24]; 25 мг - ремонтного молодняка свиней в возрасте от четырех до восьми месяцев; 30 мг - для кур-несушек и свиней. Наличие металломагнитных частиц свыше 2 мм и с острыми краями не допускается. Содержание золы, не растворимой в соляной кислоте, в комбикормах допускается не более: 0,3 % - для цыплят; 0,5 % - для молодняка кур и бройлеров (ГОСТ 18221-72) [24], для выращивания и откорма крупного рогатого скота в животноводческих комплексах (ГОСТ 9268-90) [28]; 0,7 % - для свиней (ГОСТ 9267-68) [27]; 1,0 % - для кур-несушек. 2. Измельчение до заданной крупности различными способами. Подго товленный зерновой корм размером частиц до 3 мм предусмотрен для крупного рогатого скота, до 1 мм - для свиней, до 2...3 мм - для птицы. Стандарт на комбикорма определяет три степени помола, характеризующиеся средними размерами частиц (модуль): 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 [35, 36]. 3. Смешивание и дозирование компонентов при приготовлении кормовых смесей. Однородность состава обеспечивает одинаковую питательную ценность всей полученной кормовой смеси. Для зерновых кормов показатель однородности смеси должен быть не менее 90...95 %. 4. Гранулирование зерновых кормовых смесей. На животноводческих фермах при помощи соответствующего технологического оборудования производят приготовление кормов [82]. Полнорационные комбикорма, сбалансированные по питательным веществам, обеспечивают повышение продуктивности животных на 10...12 %, обогащение их состава аминокислотами, микроэлементами, антибиотиками позволяет увеличить эффективность кормов на 25...30 % [92]. Подлежащий длительному хранению корм должен быть определённой влажности, величина которой составляет 15...17 % [46, 51, 55,90]. В технологии приготовления концентрированных кормов наиболее важным процессом является измельчение. В действующей нормативно-технической документации (ГОСТ 28098-89 Дробилки кормов молотковые. Общие технические условия.) [26] для оценки качества измельчения концентрированных кормов применяют следующие показатели: массовая доля остатка на сите с отверстиями диаметром 3 мм; массовая доля целых зёрен. Значения данных показателей для разных групп сельскохозяйственных животных установлены ГОСТ 9268-90 (для крупного рогатого скота) [28], ГОСТ 9267-68 (для свиней) [27], ГОСТ 21055-96 (для беконного откорма свиней) [25], ГОСТ 13299-71 (для поросят-сосунов) [23], ГОСТ 10199-81 (для овец) [29], ГОСТ 18221-72 (для сельскохозяйственной птицы) [24]. Требования, предъявляемые этими стандартами к качеству измельчения, приведены в таблице 1.П.1. Содержание пылевидной фракции (менее 0,25 мм) в измельченном корме должно быть минимальным, так как скармливание животным переизмельченного продукта приводит к снижению приростов до 15 % и отрицательно влияет на процесс пищеварения. Таким образом, равномерность помола - необходимое условие при измельчении концентрированных кормов [21]. В результате воздействия рабочих органов в процессе измельчения кормов меняется их структура, физические и механические свойства. Зерновой корм в своём составе имеет два структурных элемента - скелет (каркас), обладающий упругими и пластическими свойствами, и заполнитель, обладающий вязкими свойствами [34]. К физико-механическим свойствам относят влажность, прочность, гранулометрический состав, плотность, пористость, водопоглощаемость, влагоотдачу, электропроводимость, вязкость. Физические и механические свойства взаимосвязаны. Так, способность разрушению зерна ударом молотками дробилки зависит от начальной влажности и размеров частиц. Влажность - важнейшая характеристика корма, существенно влияющая на другие свойства [45]. От содержания влаги зависит выход готовой продукции, её качество, затраты удельной энергии при переработке зерна [101]. Классификация форм связи влаги с материалом, предложенная П.А. Ребиндером, выполнена по энергетическому принципу, который учитывает количество энергии, расходуемой на процесс удаления влаги из материала. Существуют три основные формы связи: химическая, физико-химическая и механическая. Для технологии измельчения зерна практическое значение имеет механическая форма связи, которая характеризуется наличием в материале капиллярной влаги и влаги смачивания [50]. Зерно, являясь телом с неоднородной структурой и состоящее из эндосперма, оболочек и зародыша, обладает различной прочностью. Эндосперм зерна характеризуется сравнительной хрупкостью, а оболочки зерна обладают значительной вязкостью. При дроблении зерна эндосперм работает на скалывание и сжатие, оболочки - на разрыв. Величина разрушающих напряжений оболочек в зависимости от сорта и влажности зерна составляет 9,5...31,5 МПа, тогда как разрывное напряжение эндосперма - 1,7...3,3 МПа. Стекловидный эндосперм обладает более высокой прочностью, чем полустекловидный и мучнистый того же сорта зерна. Так как зерно разных культур отличается по анатомическому строению и химическому составу, его плотность различна. Отдельные части зерна также имеют различную плотность (у пшеницы средней плотности 1,37 г/см3 плотность эндосперма составляет 1,48 г/см3, зародыша - 1,27 г/см3, оболочки -1,09 г/см3) [101].
Испытанием отдельных зёрен на твёрдость и прочность занимался СВ. Мельников. В ходе статических исследований им были получены диаграммы сжатия для зерен различных культур в координатах: усилие - деформация и построенные на их основе диаграммы напряжений в координатах: напряжение - относительная деформация [52]. Полученные диаграммы характеризу 12 ются тремя наиболее важными этапами в развитии деформаций. На первом этапе происходит крутой подъем кривой (преобладают упругие деформации в материале зерна). Второй этап отличается резким изменением направления кривой и плавным подъемом (развитие пластических деформаций в зерне). Конечный этап завершается разрушением оболочек с образованием трещин.
Расчёт усредненного распределения поля скоростей воздушного потока с учётом турбулентного трения в дробильной камере
А.В. Палкин при исследовании угла открытия жалюзи сепаратора сделал вывод, что его увеличение приводит к значительным изменениям в гранулометрическом составе измельчённого продукта, а именно к увеличению среднего размера частиц и содержанию остатка на сите 0 Змм. При совместной работе дробилки с питателем грубых кормов определены оптимальные параметры: окружная скорость вращения молотков ротора 86...90 м/с, зазор между молотками ротора и колосниковой решёткой 13...16 мм, молотками и декой 9...10 мм [64, 66].
К.Ю. Микрюковым проведено математическое моделирование движения воздушного потока в обводном канале, результатом которого является построение поля скоростей воздушного потока. Анализ поля скоростей показал, что воздушный поток имеет большую скорость у внутренней стенки канала и меньшую у наружной, в средней части канала образуются вихревые зоны. Поле скоростей, полученное экспериментально, даёт несколько отличную картину от расчётного, что связано с различным числом Рейнольдса в области обводного канала. При исследовании прочностных свойств ячменя сорта "Биос-1" автором выявлено, что напряжение, необходимое для разрушения зерновки, составляет 25...35 Мпа. На основании опытных данных он установил, что для дробилки с обводным каналом и колосниковой решеткой оптимальными конструктивно-технологическими параметрами являются окружная скорость молотков 65...68 м/с, зазор между молотками и колосниковой решёткой - 11...12 мм. При организации рабочего процесса по двухступенчатому циклу автором выявлено, что сепарация материала на первой ступени оказывает значительное влияние на качество готового продукта [63, 83, 95, 96, 97, 112].
Экспериментальные исследования Н.В. Турубанова показали зависимость критической скорости соударения молотка и зерновки от предела прочности. Величина скорости напрямую зависит от прочностных качеств зерна и составляет 75 м/с для ячменя сорта "Абава" (предел прочности ав=19,07 МПа), и 100 м/с для сорта "Биос-1" (29,40 МПа). Исследования направляющих в пнев-мосепарирующем канале дробилки позволили сделать вывод о том, что значительное влияние на пропускную способность оказывает величина угла их установки. Наибольшие значения при этом преобладают при установке направляющих, близких к углу их наклона. Теоретическое исследование скорости воздушного потока в пневмосепарирующем канале методом конечных элементов позволило оценить распространение завихренности во времени по длине канала и рассчитать значения функции тока в каждый момент времени для построения векторов скорости. При сравнении расчётного и экспериментального полей скоростей воздушного потока видно, что вектора совпадают по направлению и величине с достаточно низким процентом погрешности [39, 85, 86, 100, 102, 103].
В последнее время находят применение машины малой мощности. Учёными ВГСХА Н.Ф. Барановым, В.Г. Мохнаткиным, В.Н. Шулятьевым создан бытовой измельчитель кормов. Его использование позволяет механизировать процесс измельчения основных видов кормов и приготовления кормосмесей в индивидуальном хозяйстве. На основании гранулометрического анализа дерти при измельчении зерна на корм крупному рогатому скоту и свиньям измельчитель достаточно комплектовать решетами 4 и 6 мм. Пропускная способность измельчителя на зерне составила до 100 кг/ч при удельных энергозатратах 1,6...1,8 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.) [13].
М.С. Поярков в своих исследованиях пришёл к выводу, что в дробилках с углом охвата молоткового ротора декой 360 скорость воздушного потока на 18...20 % меньше, чем в дробилках с периферийным расположением решета, что повышает воздействие рабочих органов на материал. При исследовании жалюзийного сепаратора автор сделал заключение, что существенное влияние на энергоёмкость процесса оказывает число створок жалюзи и зазор, длина створок жалюзи на этот показатель существенного влияния не оказывает. Дробилка с жалюзийными сепараторами при встречном движении потока имеет наименьшее содержание пылевидных частиц и наиболее выровненный гранулометрический состав по сравнению с попутной организацией движения воздушно-продуктового потока, при которой наблюдается наибольшее переизмельчение материала [4, 78].
А.С. Филинковым было исследовано влияние вида деки (рифли прямоугольной, треугольной формы и с ячеистой поверхностью) на показатели измельчения. В ходе экспериментов лучшие результаты получились при использовании деки с прямоугольными рифлями, что объясняется наличием острых граней, облегчающих раскалывание зерна. При исследовании воздушного режима с помощью вихревой камеры, имеющей отношение радиуса вихревой камеры RB к диаметру дробильной камеры D не более 0,14, и загрузки в неё материала установлено, что пропускная способность дробилки возрастает до 30 %, а удельные энергозатраты снижаются на 13...35 %. При организации рабочего процесса дробилки по двухступенчатой схеме измельчения с отбором продукта с первой ступени материал, получаемый со второй ступени, соответствует мелкому помолу; чем меньше размер частиц, получаемых со второй ступени, тем меньше энергоёмкость процесса измельчения. Снижение энергозатрат возможно на 51...58 % [107, 108].
Анализ научных работ позволил сделать следующие выводы, что с целью повышения эффективности процесса измельчения необходимо совершенствование конструктивно-технологических параметров дробилок для обеспечения своевременной эвакуации готового продукта из дробильной камеры и использования воздушного потока в оптимальном режиме при наименьших энергозатратах.
Экспериментальная установка для исследования процесса измельчения зерна
Воздушный поток, создаваемый молотковым ротором, оказывает значительное влияние на процесс измельчения, так как частицы материала перемещаются в обводном канале благодаря воздушному потоку. Поэтому от параметров потока воздуха зависит эффективность транспортировки материала в обводном канале дробилки [41].
Среди применяющихся на практике различных методов определения скоростей и давлений наибольшее значение в экспериментальной аэродинамике имеет "пневматический", основанный на измерении давления в определенных точках на поверхности внесенных в поток измерительных приборов. Такие приборы называются насадками или зондами. Основное требование к ним заключается в том, что размеры возмущений, создаваемых внесенным в поток прибором, должны быть достаточно малы по сравнению с измеряемой разностью давлений.
В каждой точке поверхности обычно измеряется разность абсолютной величины давления с атмосферным давлением или с давлением в выбранной точке поверхности.
Наиболее простым прибором для измерения давления является трубка Пито, названная по имени французского ученого, который применил ее для измерения скоростей потока в реке. Отклонение носика трубки от направления потока на ± 10 не влияет на ее показания, что не позволяет использовать её для измерения направления скорости [16, 38, 74].
Измерение направления скорости двумерного потока можно проводить с помощью различных пневматических насадок. Они позволяют достаточно точ-но измерить величину и направление скорости, полный напор и давление. В ходе экспериментальных исследований использовали цилиндрический зонд. По сравнению с другими насадками цилиндрические зонды обладают преимуществами: взаимное расположение отверстий строго фиксировано, следовательно, тарировка зонда обладает большим постоянством; благодаря большой разности давлений в центральном и боковом отверстиях на цилиндре, точность измерений повышается и доходит приблизительно до 0,2 [41]. Скорость воздушного потока в обводном канале вычислялась по следующей формуле: где Кт - коэффициент тарировки, введённый для учёта ошибки при измерении полного напора, его среднее значение составляет Кт=0,754 [103]; А — количество делений микроманометра; g -ускорение свободного падения, g=9,81 м/с; к-коэффициент микроманометра, к=0,2...0,8. На рисунке 3.13 изображена схема измерения параметров воздушного потока в обводном канале дробилки без выгрузного устройства, на рисунке 3.15 -в обводном канале дробилки с выгрузным устройством. Исследование воздушного потока в канале проводилось путем измерения статического и динамического давлений согласно схеме соединения отверстий зонда с микроманометрами (рис. 3.16). На рисунках 3.14 и 3.17,а приведён вид стенки канала с отверстиями для проведения измерений параметров воздушного потока.
Измерения проводились при помощи цилиндрического зонда 2, закреплённого на держателе (рис. 3.17,6) совместно с транспортиром 3 на противоположном конце для определения направления скорости воздушного потока в исследуемой точке. Отверстия зонда соединены полыми резиновыми трубками 1 с соответствующими отверстиями микроманометров 4. Направление скорости определяли поворачиванием вокруг собственной оси до тех пор, пока давления в крайних отверстиях зонда не станут одинаковыми (микроманометр с наименьшим наклоном будет показывать нулевое значение), следовательно, давление в центральном отверстии будет равно полному напору (второй микроманометр будет показывать максимальное значение). При установленном-положе-нии зонда по линии отвеса, закрепленного на оси державки, определяется направление скорости воздушного потока в исследуемой точке.
Влияние установки деки на показатели рабочего процесса дробилки
При оптимальных конструктивно-технологических параметрах дробилки (раздел 4.9) реализовали схему по разделению измельчаемого материала на фракции.
Схема представляет собой конструкцию дробилки (рис. 4.34), где происходит разделение зерновой дерти по фракциям в два этапа: посредством дефлектора в обводном канале (первая стадия) и шнекового сепаратора (вторая стадия). Пробы отбирали при помощи мешков, устанавливаемых в местах выхода измельчаемого материала. Эксперименты проводили при установившемся режиме работы дробилки с объёмом порций зерна 10 кг. Разделение по фракциям проводили следующим образом. Зерно, поступающее в дробильную камеру 1 и затем измельчающееся молотковым ротором 2, воздушным потоком отбрасывается в обводной канал 4, где делится на фракции дефлектором 5 (первая стадия). При этом мелкая фракция отводится дефлектором в шнек 6, более крупные частицы, движущиеся в обводном канале 4 на повторное измельчение после разделения дефлектором 5, эвакуируются при помощи канала отвода частиц 8, что позволяет с достаточно высокой точностью определить количество зерна, направляемого на доизмель-чение. Фракция, попавшая в шнек 6 (вторая стадия), делится посредством решета 11 на готовый продукт и на не доизмельчённую фракцию и на выходе улавливается мешками. На рисунке 4.35 представлен вид готового продукта, получаемого в результате измельчения и разделения зерновой дерти на фракции, на рисунке 4.36 приведён вид крупной фракции, подлежащей повторному измельчению. Таким образом, в ходе исследований получили следующие результаты: на первой стадии материал делится в соотношении - 4/5 зерна остаётся в дробильной камере, 1/5 часть - поступает в шнек. Далее на второй стадии мелкая фракция в шнеке делится решетом в пропорции: основная масса зерна (3/5 части) отводится в готовый продукт и 2/5 - на повторное измельчение. Исследования показали, что при фракционном разделении материала можно организовать два режима работы дробилки. Первый режим позволяет получить качество продукта, предназначенного в основном для животных, второй - и для животных, и для птиц. Преимущество второго режима работы дробилки заключается в том, что одновременное приготовление продукта для разных групп животных снижает удельные энергозатраты за счёт исключения до-измельчения материала, направляемого в дробильную камеру после второй стадии сепарации. С учётом обшей массы двух фракций увеличивается пропускная способность дробилки, настроенной на второй режим работы. При этом энергоёмкость Э рабочего процесса дробилки уменьшается почти в два раза. Дробилка открытого типа с обводным каналом предназначена для дробления зерна в комбикормовой промышленности и хозяйствах. В качестве базового варианта для сравнения принята дробилка МДУ-1 (малогабаритная универсальная дробилка) [49]. Эта дробилка предназначена для измельчения зерна злаковых, бобовых культур, кукурузы, зерносмесей, гранул, мелкокусковых жмыхов и других органических и минеральных сухих материалов, используемых для приготовления рассыпных комбикормов для различных видов животных и птиц.
Исходные данные для расчёта экономической эффективности, экономического эффекта и показателей сравнительной экономической эффективности предлагаемой разработки приведены в таблице 5.1 [56, 59].
Расчет технико-экономической эффективности представлен в таблице 5.2. Экономический эффект от применения новой машины обусловлен повышением её пропускной способности по сравнению с базовой при одинаковой установленной мощности электродвигателей.
