Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1 Зоотехнические требования к качеству измельчения зерна 11
1.2 Анализ конструкций дробилок фуражного зерна 13
1.3 Классификация рабочих органов дробилок закрытого типа 28
1.4 Направления исследований измельчителей ударно-истирающего принципа действия 31
1.5 Влияние рабочих органов дробилок на процесс измельчения 34
1.6 Задачи научных исследований 38
2 Теоретические исследования по совершенствованию рабочего процесса дробилки зерна 40
2.1 Обоснование площади рабочих органов молотковой дробилки 40
2.2 Определение вероятности соударения измельчаемого материала с рабочими органами дробилки 49
2.3 Энергозатраты на трение и вентиляцию молотковой дробилки с кольцевыми деками 57
2.4 Взаимодействие измельчаемых частиц с рабочими органами молотковой дробилки 65
2.5 Выводы 75
3 Программа и методика экспериментальных исследований 77
3.1 Программа экспериментальных исследований 77
3.2 Методика экспериментальных исследований 78
3.2.1 Приборы, устройства и оборудование для исследования рабочего процесса дробилки 78
3.2.2 Экспериментальная установка для исследования процесса измельчения зерна 79
3.2.3 Методика определения основных показателей рабочего процесса дробилки и технологических характеристик материала 82
3.2.4 Методика исследования взаимодействия воздушно-продуктового слоя с пассивными рабочими органами дробилки 86
3.3 Краткая методика планирования и проведения экспериментов, статистической обработки экспериментальных данных и оптимизации рабочего процесса дробилки 89
4 Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса дробилки зерна 92
4.1 Определение энергозатрат на трение и вентиляцию молотковой дробилки с кольцевыми деками 92
4.2 Исследования взаимодействия воздушно-продуктового слоя с рабочими органами дробилки 96
4.3 Влияние кольцевых дек на рабочий процесс молотковой дробилки 102
4.4 Исследование параметров кольцевых дек 107
4.5 Сравнительные исследования процесса измельчения зерна молотковыми и дисковыми рабочими органами 118
4.6 Кинетика измельчения молотковыми и дисковыми рабочими органами 124
4.7 Оптимизация рабочего процесса дробилки с молотковым рабочим органом 127
4.8 Расширение области использования дробилок с кольцевыми деками 130
4.9 Выводы 136
5 Технико-экономическая эффективность разработки 139
5.1 Расчет экономической эффективности 139
5.2 Расчет энергетической эффективности 146
Заключение 151
Список литературы 153
Приложения 162
- Анализ конструкций дробилок фуражного зерна
- Взаимодействие измельчаемых частиц с рабочими органами молотковой дробилки
- Исследования взаимодействия воздушно-продуктового слоя с рабочими органами дробилки
- Расширение области использования дробилок с кольцевыми деками
Анализ конструкций дробилок фуражного зерна
Дробилки молоткового типа являются универсальными измельчающими машинами, так как на них можно размалывать любые компоненты, использующиеся для приготовления комбикормов.
Типичная молотковая дробилка (рисунок 1.1) содержит корпус 5 с загрузочной 6 и выгрузной 8 горловинами, молотковый ротор 2 с рабочими элементами в виде молотков 3, деки 7 и сепарирующую поверхность 4, которая в большинстве случаев выполнена в виде перфорированного решета.
Конструктивно-технологические схемы молотковых дробилок наиболее полно соответствуют требованиям, предъявляемым к дробильным машинам [25]: свободная разгрузка материала, защита от поломок при попадании посторонних предметов, не поддающихся измельчению, простая регулировка крупности готового продукта [12, 45].
Молотковые дробилки просты по конструктивному исполнению, надёжны при эксплуатации, компактны, универсальны ввиду переработки кормов с различными физико-механическими свойствами, высокие скорости рабочих органов позволяют осуществлять прямое соединение вала ротора с электродвигателем.
Все эти преимущества (таблица 1.1) обусловили возможность широкого применения молотковых дробилок во всех отраслях, а в технологии измельчения фуражного зерна они являются основными машинами. Дробилки, применяющиеся в комбикормовой промышленности, подразделяются на группы по различным признакам.
Для молотковых дробилок характерны большой расход электроэнергии, большая доля пылевидных фракций и быстрый износ деталей дробилки (молотков, решет, дек). К недостаткам, присущим молотковым дробилкам открытого типа, относятся: получение неоднородного гранулометрического состава готового продукта, т.е. наличие частиц разного размера (может присутствовать как пылевидная фракция, так и целые зерна) [60].
Технологический процесс измельчения осуществляется следующим образом. Измельчаемый материал, попадая в дробильную камеру, вовлекается в круговое движение молотковым ротором. От первичных ударов молотков зерно отбрасывается на периферию, но окончательно не разрушается. Измельчение материала происходит путем многократного ударно-истирающего воздействия молотков по непрерывно движущемуся воздушно-продуктовому слою. Кроме молотков, разрушающее воздействие на зерно оказывают и пассивные рабочие органы – деки и решето, которые работают как резцы [81, 117].
На рисунке 1.2 представлены четыре основные конструкции молотковых дробилок: открытого типа, закрытого типа, конструкция с решетом, полностью охватывающим ротор и дробилка разбрасывающего типа.
Дробилка открытого типа (рисунок 1.2а) – материал не совершает оборот в дробильной камере и измельчается только за счет прямого удара, при этом отсутствуют решета.
Дробилка закрытого типа (рисунок 1.2б) – материал циркулирует в камере, есть деки и решета, позволяющие регулировать степень измельчения. Пропускная способность их ограничена сепарирующей поверхностью решета, вследствие этого, готовый продукт содержит большой процент пылевидной фракции.
На рисунке 1.2в представлена схема молотковой дробилки, которая содержит дробильную камеру, состоящую из ротора с молотками и решета, выполненного в виде охватывающего кольца. Данная дробилка относится к дробилкам закрытого типа.
Молотковая дробилка (рисунок 1.2г) имеет следующий принцип действия: молотки ротора разгоняют и увлекают измельчаемый материал во вращательное движение, сообщая им дополнительную энергию для обрушивания о деки. После удара о деки материал возвращается в рабочую зону, дробится здесь до определенного размера, после чего удаляется. Решёта расположены как по периферии дробильной камеры, так и в торцевых поверхностях, что позволяет ускорить эвакуацию измельчённого продукта, не допуская его переизмельчения.
В результате обзора научно-технической и патентной литературы были выделены следующие основные направления развития конструкций молотковых дробилок. На рисунке 1.3а представлена молотковая дробилка для измельчения зерновых кормов. Данное решение позволяет уменьшить износ решета и повысить качество получаемых кормов. Это достигается благодаря тому, что решета установлены в виде колец с торцов дробильной камеры, а дека расположена на периферии дробильного ротора.
На рисунке 1.3б изображена дробилка для измельчения зерновых материалов [79]. Дробилка содержит загрузочный бункер, выгрузочную горловину, молотковый барабан, цилиндрический корпус, внутри которого установлены рифленые деки. В дробилке обеспечивается повышение качества измельчения за счет увеличения времени пребывания зерна в воздушно-продуктовом слое. Указанный технический результат достигается тем, что в деках сделаны пазы, перпендикулярные рифлям, а рифли имеют угол между гранями 95-105, при этом передняя грань наклонена к радиусу под углом 30-35.
Дробилка зерна (рисунок 1.3в) содержит корпус дробилки с загрузочным бункером, дробильную камеру, окно загрузки исходного материала с поворотными заслонками. Внутри загрузочной магистрали дробилки зерна согласно техническому решению установлен делитель, состоящий из трех направляющих желобов криволинейной формы, расположенных на равных расстояниях друг от друга. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса измельчения за счет улучшения условий ударного воздействия рабочих органов дробилки – молотков на исходный материал.
Процесс измельчения в две стадии позволяет организовать конструкция дробилки, представленная на рисунке 1.3г. Снижение энергоемкости процесса обеспечивается за счет промежуточного отсеивания готового продукта после первой ступени измельчения. Принцип работы дробилки заключается в следующем. В процессе измельчения зерна на первой ступени готовый продукт выделяется из дробильной камеры через верхнюю жалюзийную поверхность в внутренний корпус дробилки. Недоизмельченный до требуемого размера частицы по конусообразной скатной поверхности выбрасываются воздушным потоком на вторую ступень измельчения. Выход готового продукта осуществляется через верхний и нижний сепараторы второй ступени измельчения.
Следует отметить конструкцию дробилки [9] с колосниковой решеткой, конструктивно-технологическая схема которой представлена на рисунке 1.4. Особенность дробилки в том, что регулировочное устройство, обеспечивающее поворачивание колосников, позволяет бесступенчато изменять степень измельчения. Результаты исследований по данному техническому решению представлены в работе В.С. Халтурина [106].
Совместно проведенные испытания с Кировской МИС выявили, что использование сепарирующей поверхности дробилки в виде колосниковой секции позволяет снизить удельные энергозатраты на получение готового продукта по сравнению с базовым вариантом конструкции. При этом получаемая дерть зерновых культур, относящаяся к среднему помолу, соответствует зоотребованиям для следующих групп животных: КРС, хряков, свиноматок, взрослых овец и птицы.
Взаимодействие измельчаемых частиц с рабочими органами молотковой дробилки
При изучении процесса измельчения следует рассмотреть взаимодействие активных и пассивных рабочих органов (молотков и кольцевых дек) с зерновым материалом, считая в первом приближении частицу правильной шарообразной формы, поверхности молотков и деки принять в виде плоскости и удар считать упругим.
После удара молотка за время ударного импульса частица приобретает скорость Vч, превышающую скорость молотка в точке удара в (1+к) раз и составляющую
Если удар не является прямым центральным и осуществляется с отклонением от нормали на угол р, то нормальная V4 „ и касательная V4 г составляющие скорости отлета частицы соответственно равны
Рассматривая взаимодействие частицы с молотком при ударе, когда масса молотка М существенно больше массы частицы т (М»т), за систему отсчета координат следует принимать «систему молотка» (рисунок 2.10).
Тогда относительная скорость VomH подлета частицы к поверхности молотка определяется
При измельчении материала происходит изнашивание кромок молотка по некоторой закономерности, считая в первом приближении по дуге окружности, поэтому в большинстве случаев направление удара отклонено от нормали.
На рисунке 2.11 изображено взаимодействие закругленной кромки молотка радиусом г с частицей материала. При встрече частицы т с кромкой молотка в точке N, расположенной под углом ср к направлению движения молотка, на частицу действует сила реакции R поверхности молотка, являющейся суммой сил трения Т и нормальной реакции поверхности R . Направления скорости молотка VM в точке N и реакции R образует угол (р-(рт, где (рт - угол трения. Проекции реакций R на направление скорости молотка и в осевом направлении дает значение силы R0, зависящей от угла р.
Задаваясь предельными значениями р, получаем: при (р=0 - прямой центральный удар (рисунок 2.12а), когда частица с максимальной скоростью отлета от молотка продолжает движение в плоскости действия молотка; при (р=(рт (рисунок 2.12б) составляющая R0 равна нолю, что обуславливает равенство углов падения и отражения; при (рХрт (рисунок 2.12в) осевая составляющая (по оси ротора) силы реакции R, стремящаяся вытолкнуть частицу в боковом направлении (из рабочей зоны молотка), равна
Таким образом, частица получает удар «со скольжением». По мере увеличения ср до значения 7i/2, а также возрастает до 7i/2. При этом (р+а=ж и в результате получаем «скользящий» удар.
При (рХрт все частицы, получившие удар со стороны закругленной кромки молотка в точке N, получают дальнейшее движение со скоростью V4 под углом а к нормали в точке N. Наиболее вероятный угол отлета частицы составляет 0… п/2.
В «системе молотка» до ударного взаимодействия скорость подлета частицы с углом падения ср на кромку молотка (рисунок 2.13) определится
Согласно выполненных расчетов при заданных значениях скорости молотков Р =60…80 м/с, коэффициентов восстановления скорости &=0,4 и трения У=0,37 материала, угол подлета/? частицы к деке изменяется от 0 до 13.
Рассмотрим случай, когда воздушно-продуктовый поток имеет равномерное распределение, а скорость подлетающих к деке частиц по оси (У ) максимальна. При наибольшей составляющей скорости частицы в направлении деки V 4y, будем считать, что частица достигнет деки без столкновения с другими частицами. Данным условиям соответствует угол подлета частицы к деке в пределах р=6… 13, а угол ср изменяется от 30 до 75. Следовательно, поверхности деки будет достигать доля потока частиц, взаимодействующих с молотком, равная
Для обеспечения наиболее эффективного соударения частицы с декой, ее поверхность должна быть обращена к наиболее вероятному направлению подлета частиц под углом 7i/2, при этом 91…97% запаса кинетической энергии частицы может быть использовано на разрушение. Достигнуть этого возможно расположением рабочих граней рифов деки к торцевой стенке дробильной камеры под углом у=90-/? =90-(6... 13)=84... 77.
Частица соударяется с поверхностью деки с углом подлета /? со скоростью Учд , которую представляем в виде проекций (составляющих)
Исследования взаимодействия воздушно-продуктового слоя с рабочими органами дробилки
Исследования момента Мд, передаваемого молотковым ротором через воздушно-продуктовый слой на дробильную камеру и на кольцевые деки. выполняли согласно методике исследований по изучению процесса взаимодействия воздушно-продуктового слоя с пассивными рабочими органами дробилки (раздел 3.2.4). Лабораторные исследования проведены на дробилке с установленной на подшипнике дробильной камерой, подвешенной на трех пружинах (рисунок 3.6). Диаметр дробильной камеры составляет 296 мм, длина 70 мм, на молотковом роторе установлено на 4 осях 16 молотков толщиной 3 мм. Общий вид дробильной камеры лабораторной установки, включающий молотковый ротор, гладкую периферийную камеру и рифленую торцевую деку, представлен на рисунке 4.4.
В первой серии опытов реализованы три эксперимента по матрице плана 32 на дробилке периодического действия (закрытая дробильная камера). Исследовалось влияние массы циркулирующего в дробильной камере материала m (массы навески) и линейной скорости молотков Vм на момент Мд, передаваемый молотковым ротором через воздушно-продуктовый слой на дробильную камеру и на кольцевые деки, при различном количестве рифов z на кольцевых деках. Задаваясь высотой рифа деки hр=5 мм из конструктивных параметров камеры измельчения, определен шаг рифов sр=26…52 мм, который и предопределил количество рифов z=16…32 штук (рисунок 4.5). Высота рифов дек 5 мм, ширина кольцевых дек 30 мм. Зазор между молотками и деками 5…6 мм.
Также для сравнительных исследований проведены опыты при отсутствии дек – с гладкостенной дробильной камерой. Полученные в ходе экспериментов результаты представлены в таблице 4.3.
На рисунке 4.6 показано двумерное сечение, построенное по уравнению регрессии (уз), показывающее, что момент, реализуемый непосредственно на деках в исследуемой области варьирования факторов, имеет максимум при массе циркулирующей нагрузки 0,137 кг и скорости молотков 65 м/с.
На рисунке 4.7 представлены расчетные и экспериментальные значения момента, создаваемого воздушно-продуктовым потоком, от скорости молотков при количестве рифов на кольцевых деках z=16 штук и массе циркулирующего в камере измельчения материала m=0,137 кг.
Анализируя рисунок 4.7 можно сделать вывод, что результаты расчетов, полученные по уравнению регрессии (4.4) показали удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных значений критерия оптимизации (среднее расхождение значений составляет 9,8%).
Во второй серии опытов исследовали момент на деке дробилки открытого типа. Подача материала осуществлялась дозировано в количестве 300 кг/ч. Матрица плана 32 и результаты эксперимента представлены в таблице 4.4.
Анализ моделей и двумерных сечений показывает, что в области эксперимента с увеличением количества рифов возрастает момент на дробильной камере с 2,4 до 2,6 Нм. При этом снижаются и удельные энергозатраты процесса измельчения на 12,6%, что свидетельствует о положительном влиянии увеличения площади контактного взаимодействия воздушно-продуктового потока с кольцевыми деками.
По результатам выполненных лабораторных опытов можно сделать следующие выводы: при установке кольцевых дек с рифлеными торцевыми поверхностями в камере измельчения происходит возрастание момента на 14…41% по сравнению с гладкостенной дробильной камерой. Это говорит о том, что увеличение площади контактного взаимодействия измельчаемого материала с рабочими поверхностями дробильной камеры позволяет максимально использовать кинетическую энергию частиц на реализацию процесса измельчения, тем самым повышая эффективность дробления. Максимальный крутящий момент на деках возникает при удельной циркулирующей нагрузке, составляющей 2,18 кг/м2 диаметрального сечения дробильной камеры.
Расширение области использования дробилок с кольцевыми деками
По прогнозам отечественных и зарубежных ученых альтернативные кормовые добавки, приготовленные из древесных отходов, в будущем пополнят рацион сельскохозяйственных животных [34, 86, 114].
В лаборатории ФГБОУ ВО Вятской ГСХА проводились исследования линии по производству древесной муки, содержащей две ступени измельчения.
На первом этапе исследовался рабочий процесс дробилки с молотковым рабочим органом – I ступень измельчения (установленная мощность 7,5 кВт). Конструкция молотковой дробилки содержит дробильную камеру с центральной загрузкой, молотковым ротором и решетом, охватывающим молотковый ротор по окружности. В дробильной камере в межмолотковом пространстве установлены кольцевые деки, при этом торцевые поверхности дек выполнены рифлеными [74].
Молотковый ротор содержит четыре пакета по четыре молотка на оси. Дробильная камера данной измельчающей машины в межмолотковом пространстве включала три центральные кольцевые деки и две торцевые на боковых крышках камеры измельчения. Зазоры между концами молотков и решетом, а также между молотком и деками выдерживали по 5 мм (рисунок 4.1).
В качестве измельчаемого материала с целью получения древесной муки с наибольшим содержанием пылевидной фракции использовался опил влажностью W=16% со средневзвешенным размером dи = 0,986 мм и стружка влажностью W=12% с dи = 2,038 мм. Результаты лабораторных исследований представлены в таблице 4.11.
По результатам первого этапа исследований дробилки с молотковым рабочим органом выход древесной муки с пылевидной фракцией (М-180) не превышал 6% и практически не зависит от размеров отверстий решета. Поэтому с целью интенсификации процесса измельчения предлагается установить в качестве II ступени измельчения дробилку с рабочими органами в виде лопаток, жестко закрепленных на диске ротора, которая также содержит в камере измельчения кольцевые деки с рифлеными торцевыми поверхностями.
На втором этапе исследований изучался рабочий процесс технологической линии, состоящей из двух дробилок:
I ступень измельчения - молотковая дробилка с диаметром отверстий решета 3 мм;
II ступень – дробилка с дисковыми рабочими органами (рисунок 4.32).
Исследования проводили на опиле влажностью W=12–18% со средневзвешенным размером 1,18 мм.
В ходе проведения эксперимента молотковая дробилка на I ступени имела следующие показатели: удельная энергоемкость E=5,15 к В т ч / ( т е д . с т . и з м ) и d ср=0,851 мм. Гранулометрическая характеристика древесной муки после I ступени измельчения приведена на рисунке 4.33.
На второй ступени измельчения исследовали влияние диаметра отверстий решета, количество лопаток на крыльчатке (z) и скорость рабочих органов (V) на удельные энергозатраты (E), крупность готового продукта (d ср) и содержание контрольного размера (400 мкм). Матрица плана эксперимента и результаты опытов, рассчитанные по трехкратной повторности, представлены в таблице 4.12.
Наименьшие удельные энергозатраты составляют Е=23,79 кВтч/тед.ст.изм. при диаметре отверстий решет 1,3 мм, наибольшем количестве лопаток на крыльчатке z=48 шт. и наименьшей скорости крыльчаток V=59,8 м/с. Средневзвешенный размер готового продукта при данных условиях увеличен до 0,494 мм, а содержание частиц контрольного размера (400 мкм) составляет 39,9%.
С целью повышения эффективности работы дробилки древесной муки второй ступени измельчения необходимо решить компромиссную задачу, направленную на уменьшение средневзвешенного размера готового продукта при незначительном повышении удельных энергозатрат.
По результатам анализа проведенного эксперимента оптимальными значениями следует считать: х1 - диаметр отверстий решета d = 1,3 мм; х2 - количество лопаток на крыльчатке z = 48 шт.; х3 - скорость крыльчаток V = 72,6 м/c.
Анализ гранулометрического состава древесной муки после I и II ступени измельчения (рисунок 4.35) отражен в таблице 4.13.
На основании исследований экспериментальная дробилка II ступени измельчения, при установленной мощности 3 кВт имеет среднюю производительность 35 кг/ч.
Проведенные исследования показывают:
1. Предложенная конструкция дробилки с кольцевыми деками может быть использована с молотковым и дисковым рабочими органами при измельчении не только зерна, но и других растительных материалов;
2. На второй ступени измельчения в качестве активных рабочих органов целесообразно использовать лопатки, жестко закрепленные на диске ротора;
3. После двух ступеней измельчения максимальный выход древесной муки контрольного размера 400 мкм при оптимальных значениях факторов составляет 52,6% при удельной энергоемкости 23,79 кВтч/тед.ст.изм., что существенно ниже по сравнению с аналогами.