Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи научных исследований... 9
1.1 Классификация дробилок 9
1.2 Зоотехнические требования, предъявляемые к качеству комбинированных кормов 11
1.3 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок... 14
1.3.1 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна открытого типа 14
1.3.2 Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна закрытого типа 17
1.4 Анализ конструкций рабочих органов дробилок зерна 19
1.4.1. Обзор конструкций сепарирующих поверхностей 19
1.4.2 Обзор конструкций вентиляторов в дробилках зерна с пневматической загрузкой и выгрузкой 24
1.5 Обзор научных работ по исследованиям процессов измельчения зерна 32
1.6 Задачи научных исследований 39
2 Теоретические предпосылки к обоснованию конструкции и повыпшнию эффективности фукционирования молотковой дробилки 40
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы дробилки зерна 40
2.2 Исследование движения частиц материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора 47
2.2.1 Исследование движения частицы материала в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора 47
2.2.2 Исследование движения частицы материала во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора 53
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 61
3.1 Программа экспериментальных исследований 61
3.2 Приборы, устройства и оборудование для исследования процессов измельчения зерна и аэродинамических показателей дробилки 61
3.3 Экспериментальная установка для исследования технологического процесса измельчения зерна 62
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований 67
3.4.1 Методика определения основных показателей работы дробилки и процесса измельчения 67
3.4.2 Методика исследования аэродинамических показателей дробилки 70
3.4.3 Краткая методика проведения активно-пассивного эксперимента 75
Результаты экспериментальных исследований 79
4.1 Исследование аэродинамических показателей дробилки с «дека-решетом» на холостом ходу 79
4.2 Исследование влияния угла установки лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки 84
4.2.1 Исследование влияния криволинейных загнутых вперёд лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки 85
4.2.2 Исследование влияния прямолинейных отклоненных назад на угол лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки 89
4.2.3 Исследование влияния прямолинейных отклоненных назад на угол 20 лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки 91
4.3 Влияние сопротивления фильтров-пылеуловителей аспираци-онной системы на рабочий процесс дробилки 94
4.4 Влияние величины подачи материала на показатели рабочего процесса дробилки 95
4.5 Исследование влияния всасывающей пневмотранспортирующей сети на рабочий процесс дробилки 99
4.6 Влияние формы выгрузного патрубка и лопаток наружного вентилятора на движение частиц материала 100
4.6.1 Влияние формы выгрузного патрубка на движение частиц материала по выгрузному рукаву 100
4.6.2 Движение частиц материала по различным формам лопаток наружного вентилятора дробилки 102
4.7 Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки 104
5 Эффективность работы молотковой дробилки 113
5.1 Технико-экономическое обоснование применения дробилки с «дека-решетом» ДЗ—4П 113
5.2 Расчёт энергетической эффективности 116
Общие выводы 121
Литература 123
Приложения 135
- Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна открытого типа
- Исследование движения частицы материала в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора
- Экспериментальная установка для исследования технологического процесса измельчения зерна
- Исследование влияния криволинейных загнутых вперёд лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили технологии производства комбикормов непосредственно в хозяйствах с помощью малогабаритных комбикормовых агрегатов, большая часть из которых имеет в своём составе дробилку с пневматической загрузкой-выгрузкой исходных компонентов комбикорма, при этом загрузка и выгрузка осуществляются пневмотранспортом самой дробилки, что позволяет отказаться от дополнительных погрузочных устройств, улучшить санитарно-гигиенические условия работы и технику безопасности обслуживающего персонала, существенно снизить затраты на производство комбикорма.
Однако опыт эксплуатации дробилок с пневмозагрузкой-выгрузкой выявил и ряд существенных недостатков: низкие показатели надёжности работы, связанные преимущественно с выходом из строя решета при попадании инородных твёрдых предметов; относительно низкие показатели качества готового продукта и производительности; повышенный износ выгрузного рукава и других узлов. В связи с этим возникает необходимость в совершенствовании конструкции дробилки.
Целью исследования является совершенствование конструктивно-технологической схемы и рабочих органов молотковой дробилки зерна.
Объект исследований - молотковая дробилка зерна закрытого типа, при её совместной работе с бункером-накопителем; технологический процесс измельчения зерна и рабочие органы пневматической загрузки-выгрузки и сепарирующей поверхности.
Научную новизну работы составляют:
экспериментально-теоретическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;
математические модели рабочего процесса и оптимальные конструктивно-технологические параметры дробилки.
Практическая значимость и реализация результатов исследований:
конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки зерна с «дека-решетом» (патент РФ №2317146 на изобретение, патент РФ №74827 на полезную модель);
результаты производственных испытаний дробилки и её энергетическая эффективность.
Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы, позволяют обосновать основные конструктивные параметры и режимы работы молотковой дробилки с «дека-решетом», которые могут быть использованы заводами-изготовителями, а также проектно-конструкторскими организациями и научно-исследовательскими учреждениями. Результаты исследований используются в: ОАО «Слободской машиностроительный завод» Кировской области при модернизации дробилок в комбикормовых установках КУ-2; Проектно-конструкторском бюро НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого при разработке комбикормовых агрегатов, в состав которых входит разработанная дробилка. Опытный образец дробилки прошёл испытания в Производственно-коммерческой фирме «Слон» (г. Киров) и внедрён в СПК «Конып» Кирово-Чепецкого района Кировской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях в Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2006, 2008 гг., НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого в 2008 г., Марийском государственном университете в 2009г.
По материалам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе одна в издании рекомендованном ВАК, и двух патентах РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
конструктивно-технологическая схема дробилки зерна;
математическое моделирование процесса движения частицы материала в воздушном потоке до и во взаимодействии с лопаткой наружного вентилятора дробилки;
математические модели рабочего процесса молотковой дробилки и её оптимальные конструктивно-технологические параметры;
экономическая и энергетическая эффективности работы молотковой дробилки.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы - 130 наименований, 15 приложений. Работа содержит 158 страниц, 65 рисунков, 11 таблиц.
Обзор конструктивно-технологических схем молотковых дробилок зерна открытого типа
Существуют различные конструкции дробилок открытого типа [67,75]. Конструктивно-технологическая схема безрешётной дробилки ДЗ-Ф-2-1 Слободского машиностроительного завода (Кировская область) приведена на рисунке 13, а. Загрузка материала в дробилку осуществляется винтовым конвейером 1, отделяющий посторонние примеси, а выгрузка готового продукта - винтовым конвейером 5. Сепарация измельчённого продукта осуществляется у выгрузного окна 3 дробильной камеры 4. Регулировка крупности помола осуществляется заслонкой 2. Установленная мощность электродвигателей 16,1 кВт, производительность с остатком на сите диаметром 3 мм не более 10% составляет не менее 2 т/ч [40]. Недостатком конструкции являются случаи заклинивания и падения регулировочной заслонки 2 внутрь дробильной камеры, что приводит к поломкам дробилки.
В безрешетной дробилке ДБ-5 (рис. 1.3, б) воздушный поток, создаваемый ротором, транспортирует измельченный материал по кормопроводу 1 в разделительную камеру 2, в которой разделение материала на фракции осуществляется решетным сепаратором 3, мелкая фракция выводится из дробильной камеры, а крупная отправляется на доизмельчение. Количество материала, отправляемого на доизмельчение, а, следовательно, и степень измельчения регулируется заслонкой 4. Производительность дробилки до 6 т/ч.
Эта дробилка при достаточно высокой надежности также имеет ряд недостатков — большие затраты энергии на транспортирование всей массы измельченного материала, большая металлоёмкость [2,67,75,89].
В унифицированной с ДБ—5 молотковой дробилке ДМ- —1(рис. 1.3, в), выпускаемой на ОАО «Слободской машиностроительный завод», измельчаемый материал подаётся винтовым конвейером 1, отделяющим крупные примеси, в дробильную камеру 2. Одновременно производится очистка от магнитных примесей магнитным сепаратором. В дробильной камере 2 материал измельчается и подаётся в разделительную камеру 6. При соударении материала с рикатором 8 происходит доизмельчение и уменьшение скорости движения. При движении материала с воздушным потоком между разделителями 3, 4 и 5 происходит сепарация — мелкие частицы идут на выгрузку, крупные - на доизмельчение. Регулирование крупности помола осуществляется заслонкой 7. Производительность дробилки на ячмене с остатком на сите диаметром Змм не более 10% составляет 5,5 т/ч, удельные энергозатраты не более 6,1 кВт-ч/т [41]. Недостаток конструкции дробилки - сложность настройки на заданную степень измельчения.
С целью повышения производительности и качества готового продукта в молотковой дробилке (рис. 1.3, г) применён делитель 1 серповидной формы. Выпуклая поверхность делителя 1 выполнена рифленой, а вогнутая -перфорированной. Полость делителя соединена с циклоном 3, а ротор дробилки расположен в нижней части камеры. Движущийся в камере продуктовый слой при помощи делителя разделяется на два потока, при этом мелкие частицы, обладающие меньшей кинетической энергией, движутся по меньшему радиусу, чем крупные, попадают в зону действия перфорированной поверхности делителя, через которую по воздуховоду отводятся- в циклон 3. Крупная фракция попадает в зону действия деки 2 дробильной камеры и рифленой поверхности делителя и дополнительно измельчается. Данная конструкция позволяет более эффективно использовать пространство дробильной камеры и обеспечить своевременный отвод готового продукта [9].
Общими недостатками дробилок открытого типа являются: большая металлоёмкость, необходимость использования, как правило, дополнительных погрузочно-разгрузочных устройств, что в итоге увеличивает себестоимость производства корма, практически невозможно организовать рабочий процесс с пневматической загрузкой-выгрузкой исходных компонентов комбикорма, при одновременном получении качества готового продукта, удовлетворяющего зоотехническим требованиям для всех групп животных.
Исследование движения частицы материала в воздушном потоке до взаимодействия с лопаткой наружного вентилятора
СВ. Мельников выделяет дробилки в самостоятельную группу машин ударного действия, работающих на высокоскоростных режимах, и приводит типичную конструктивную схему: корпус с загрузочной горловиной, молотковый барабан с шарнирно подвешенными молотками, деку, решето. Также приводит свою классификацию кормодробилок закрытого типа по их конструктивной схеме и способу организации рабочего процесса в дробильной камере [2,77].
СВ. Мельников рекомендует при оценке работы дробилки принимать во внимание оптимальное соотношение трёх показателей: затрат энергии на дробление, пропускной способности дробилки и степени измельчения, и нельзя ограничиваться лишь указанием одного или двух.
В работах В;Р. Алешкина также отмечено, что при создании новых дробилок на первом месте должна стоять задача по выбору оптимальной окружной скорости вращения молотков, основываясь как на технических и экономических соображениях, так и на виде измельчаемого корма. Соотношение остальных параметров необходимо подбирать как оптимальное при выбранной окружной скорости молотков [3].
Ученые Воронежского государственного аграрного университета в своих исследованиях установили закономерность изменения потребляемой мощности дробилкой. Так, с увеличением диаметра дробильной камеры при различных способах загрузки, потребляемая мощность возрастает, однако, при центральной загрузке величина мощности на привод в 1,8...2,5 раза больше, чем с радиальной подачей продукта [20].
Н.Ф.Баранов, В.Н. Шулятьев предлагают путь, снижения энергопотребления - многоступенчатое измельчение зерна. Суть многоступенчатого измельчения сводится к тому, что на каждой ступени измельчения выделяется мелкая фракция, которая соответствует готовому продукту, а крупная фракция поступает на последующее измельчение в следующую ступень. Количество ступеней зависит от степени измельчения готового продукта. При такой схеме организации рабочего процесса авторам удалось снизить удельные энергозатраты на 5... 17 % по сравнению с одноступенчатым измельчением [11].
СВ. Мельников, Ф.С. Кирпичников считают, что увеличивать окружную скорость вращения молотков следует не за счет увеличения частоты вращения молоткового ротора, а за счет увеличения его диаметра. Также авторы отмечают, что при этом необходимо учитывать оптимальные соотношения длины и ширины молоткового ротора [74].
В своих работах В.И. Сыроватка, исследуя закономерности процессов измельчения, пришел к следующим выводам [114, 116]: 1. Состояние измельчаемого материала в дробильной камере зависит от величины её загрузки. При малой загрузке материал находится в виде отдельных, свободнодвижущихся частиц, а при оптимальной загрузке измельчаемый материал циркулирует сплошным, рыхлым слоем по рабочим поверхностям дробильной камеры в направлении вращения молоткового ротора. Толщина этого потока равна 15...35 мм. Скорость потока в области деки составляет 2...25 %, а в зоне решета она равна практически 50 % от окружной скорости молотков; 2. Молотки, перемещаясь в рыхлом слое измельчаемого материала, ударяют по частицам своей рабочей поверхностью. При упругом ударе частицы отражаются от молотка, а при неупругом перемещаются по его поверхности. Определяющим фактором разрушения материала является удар рабочих органов по частицам, которые перемещаются по рабочей поверхности дробильной камеры; 3. В результате исследований выявлены причины высокого удельного расхода энергии и неравномерного гранулометрического состава продуктов измельчения - перемещение измельчаемого материала в дробильной камере, многослойное расположение частиц, низкая скорость соударения частиц с рабочими органами; 4. Для обеспечения экономичной работы дробилок необходимо, чтобы её рабочие органы обеспечивали торможение измельчаемого материала, разрушение материала одним ударом, удаление мелкой фракции из дробильной камеры по мере её образования. Для чего диаметр ротора и зазор между концами молотков и рабочей поверхностью решета должны быть минимальными. Рабочая скорость молотков должна обеспечить разрушение одним ударом из следующей зависимости: где Оразр - скорость соударения молотка и зерновки, необходимая для разрушения зерновки за один удар, м/с; слоя - скорость движения воздушно-продуктового слоя в камере измельчения, м/с. Результаты исследования В.И. Сыроватки позволяют проектировать как более совершенные молотковые дробилки, так и их рабочие органы. По мнению ряда авторов [61,62], движение воздуха в дробильной камере представляет собой трехмерное движение, причем радиальная и осевая составляющие во много раз меньше окружной, которая практически не изменяется вдоль оси ротора. Хаотическое движение продукта в воздушно продуктовом слое выравнивает скорость в этой области. Теоретическими исследованиями В.И. Ломова, А.Г. Соколова, И.М. Грин-чука получена математическая модель, позволяющая оперативно определить оптимальные углы смещения отбойных гребенок (контрмолотков или противоре-жущих пластин) при различном числе ударных гребенок (молотков ротора) [69]. Результаты исследований В.Р. Алешкина, В.И. Ломова показали, что с увеличением степени загрузки дробилки с цилиндрической вращающейся ситовой обечайкой изменяется гранулометрический состав измельченного продукта, становится более равномерным, в нем преобладают средние частицы, а количество крупных частиц уменьшается [70].
Экспериментальная установка для исследования технологического процесса измельчения зерна
На первом этапе исследований оценивали влияние установки наружных вентиляторов с различными лопатками на аэродинамические показатели работы дробилки на холостом ходу.
Влияние воздушного потока, создаваемого молотками и лопатками внутри молотково-вентиляторного ротора, отдельно от наружного вентилятора не рассматривалось, ввиду конструктивных особенностей устройства дробилки. Стержни «деки-решета» устанавливали на максимальный зазор. Снятие аэродинамической характеристики проводилось после 10 мин прогрева дробилки, в целях минимизации влияния внешних факторов, в частности, температуры окружающего воздуха.
В качестве критериев оценки аэродинамических свойств дробилки приняли зависимости полного Pv, статического Ps и динамического Pd давлений, потребляемой мощности N, уровня шума L и коэффициент полезного действия 77 от расхода воздуха Q.
На рисунках 4.1...4.3 для примера представлены результаты исследований аэродинамических характеристик дробилки зерна с тремя типами лопаток наружных вентиляторов. За основу взят радиальный вентилятор высокого давления типа ВР-13 2-30 с 16 лопатками рабочего колеса вентилятора [55].
Анализ результатов исследований дробилки с вентилятором, у которого лопатки криволинейные и загнуты вперед (рис. 4.1) показывает, что значительная часть мощности электродвигателя дробилки идет на создание воздушного потока. Максимальный КПД дробилки как вентилятора составил 27,5%, при расходе воздуха Q равном 1010 м /ч и потребляемой мощности N 6,3 кВт. При работе создаётся аэродинамический шум, равный 95 дБА, выходящий за пределы норм, установленных ГОСТ 12.1.003-83 (80дБА) [35].
С целью снижения потребляемой мощности на создание воздушного потока, а также уменьшение аэродинамического шума изменили конструкцию лопаток наружного вентилятора дробилки. Лопатки вентилятора выполнили прямолинейными с отклонением от вертикали на угол 5 градусов в сторону, противоположную направлению вращения (рис. 4.2).
Сравнительный анализ аэродинамических характеристик дробилки как вентилятора (рис. 4.1, в и 4.2, в) показал, что произошло снижение потребляемой мощности электродвигателем дробилки на создание воздушного потока с 7,35 до 5,70 кВт, а также снизился аэродинамический шум с 95 до 84 дБА, снизилось полное давление с 7990 до 6467 Па, а максимальный КПД составил 23,5% при расходе воздуха О, равном 936 м /ч и потребляемой мощности 5,25 кВт.
Аэродинамические характеристики дробилки показали, что влияние формы лопаток наружного вентилятора на показатели работы дробилки значительно и требуется дальнейшее исследование форм лопаток наружного вентилятора. Поэтому, были проведены исследования аэродинамических характеристик дробилки при отклонении лопаток наружного вентилятора на угол 20 назад (рис. 4.3), при этом острые кромки в местах поворота воздушного потока и на лопатках были притуплены.
Сравнительный анализ полученной экспериментальной аэродинамической характеристики дробилки как вентилятора с предыдущей (рис. 4.2, в и 4.3, в) показал, что произошло снижение потребляемой мощности электродвигателя дробилки на создание воздушного потока с 5,70 до 4,95 кВт, а также снизился аэродинамический шум с 84 до 79 дБА, при этом выросло статическое давление Ps с 6467 до 6906 Па, а максимальный КПД соста-вил 30,8% при расходе воздуха Q, равном 1167 м/ч и потребляемой мощности 4,7 кВт.
Обобщённый анализ экспериментальных аэродинамических характеристик (рис. 4.1, в ... 4.3, в) позволил сделать вывод о том, что изменение формы лопаток наружного вентилятора позволяет изменить создаваемое давление: динамическое Pd.vax с 1469 до 1092 и 1125 Па, статическое PSMax с 7989 до 6467 и 6906 Па и мощность, потребляемую дробилкой на создание воздушного потока, с 7,35 до 5,70 и 4,95 кВт. Также снизился создаваемый дробилкой аэродинамический шум с 95 дБА при вперёд загнутых криволинейных лопатках, до 79 дБА при прямолинейных отогнутых назад на угол 20 лопатках рабочего колеса вентилятора, при этом изменился максимальный КПД дробилки как вентилятора с 27,5 до 23,5 и 30,8 %, максимальный расход воздуха QMOX составил 1691, 1458 и 1480 м3/ч, а скорость воздушного потока при максимальном расходе составила 49,4; 42,6 и 43,2 м/с.
Исследование влияния криволинейных загнутых вперёд лопаток наружного вентилятора и зазора в «дека-решете» на показатели рабочего процесса дробилки
По полученным экспериментальным данным построены зависимости по влиянию угла установки стержней «деки-решета» на удельные энергозатраты Э, производительность дробилки Q%, средний размер измельчённых частиц dcp, остаток на сите диаметром 3 мм Р и содержание в готовом продукте целых зёрен т (рис. 4.4).
Анализ зависимостей (рис.4.4) показывает, что при изменении угла установки стержней с -45 (минимальный зазор) до 0 (максимальный зазор) происходит увеличение: производительности дробилки 2д с 1,64 до 2,10 т/ч, среднего размера измельчённых частиц dcp с 1,1 до 1,4 мм, удельных энергозатрат Э с 3,4 до 3,5 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), массовой доли целых зерен в готовом продукте т с 0,27 до 0,48 %. При изменении угла установки стержней «деки-решета» с 0 градусов до + 45 (минимальный зазор) происходит снижение: производительности дробилки 9д с 2,1 до 1,6 т/ч, среднего размера измельчённых частиц dcp с 1,4 до 1,1 мм, удельных энергозатрат Э с 3,50 до 3,35 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.) и массовой доли целых зерен в готовом продукте т с 0,45 до 0,28 %.
Таким образом, максимальная производительность дробилки ()д = 2,\ т/ч соответствует углу установки стержней -5, при этом средний размер измельчённых частиц dcp равен 1,4 мм, удельные энергозатраты Э = 3,5 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), массовая доля целых зерен в готовом продукте т = 0,45 %.
Характер изменения зависимостей (рис. 4.4) обусловлен направлением установки стержней. При установке стержней против часовой стрелки (рис.4.5, а) угол между траекторией полета зерновки и плоскостью стержня составляет около 90 , что способствует измельчению частиц зернового материала. При установке стержней по часовой стрелке (рис. 4.5, б) траектория полета зерновки приближается к касательной к плоскости стержня, что увеличивает энергозатраты на измельчение материала и массовую долю целых зерен в готовом продукте.
Оценка качества измельченного продукта проводилась методом графической интерпретации гранулометрического состава (табл. 4.1, 4.2), для чего в прямоугольной системе координат строили интегральные ("по минусу") Rh % и дифференциальные помольные характеристики Ph % [79,82].
Анализ помольных характеристик (рис. 4.6) показал, что изменение угла установки стержней приводит к значительным изменениям в гранулометрическом составе дерти, так с изменением угла от 0 до ±45 происходит: уменьшение процентного содержания в готовом продукте фракций со средним размером частиц более 1,25 мм, увеличение процентного содержания фракций со средним размером частиц менее 1,25 мм при приблизительно постоянном содержании фракции со средним размером частиц 1,25 и 2,75мм, содержание фракции крупнее 3 мм уменьшается.
