Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи иследований 7
1.1 Анализ технологических схем измельчения зерна и конструкций молотковых дробилок с сепараторами 7
1.2 Анализ работ, направленных на совершенствование дробилки ДБ-5 27
1.3 Анализ процесса сепарирования 30
1.4 Обоснование темы. Цель и задачи исследований 37
2 Теоретические исследования работы жалюзийного сепаратора-измельчителя 41
2.1 Определение силы удара частиц корма о створки жалюзийной решетки 41
2.2 Дифференциальные уравнения движения частицы 47
2.2.1 Определение скорости воздуха при входе на лопасть разбрасывающей тарелки 47
2.2.2 Расчет скорости движения частицы корма вдоль лопасти разбрасывающей тарелки 49
2.3 Расчет скорости движения частицы измельчаемого корма при сходе с лопасти разбрасывающей тарелки 53
Выводы 60
3 Программа и методика экспериментальных исследований 62
3.1 Программа экспериментальных исследований 62
3.2 Методика исследований, обработки и анализа научных данных 62
3.3 Факторы, влияющие на процесс сепарации на сепараторе-измельчителе 65
3.4 Выбор критерия оптимизации жалюзийного сепаратора-измельчителя 66
3.5 Методика экспериментальных исследований 70
3.5.1 Определение основных параметров сепаратора-измельчителя 70
3.5.2 Методика отбора проб и определения основных технологических показателей сепаратора-измельчителя 75
3.5.3 Методика получения регрессионной модели сепаратора-измельчителя 78
4 Экспериментальные исследования работы сепаратора-измельчителя 83
4.1 Гранулометрический состав исследуемых кормов 83
4.2 Результаты экспериментальных исследований работы сепаратора-измельчителя 83
4.3 Анализ работы дробилки зерна с жалюзийным сепаратором-измельчителем 94
Выводы 97
5 Расчет экономической эффективности применения дробилки с жалюзийным сепаратором 98
Общие выводы 102
Список используемой литературы 104
Приложения 117
- Анализ технологических схем измельчения зерна и конструкций молотковых дробилок с сепараторами
- Определение силы удара частиц корма о створки жалюзийной решетки
- Выбор критерия оптимизации жалюзийного сепаратора-измельчителя
- Результаты экспериментальных исследований работы сепаратора-измельчителя
Введение к работе
Важная роль в преобразовывающемся и развивающемся сельском хозяйстве принадлежит животноводческой отрасли и комбикормовой промышленности.
Аграрная сфера затрагивает интересы каждого человека, ее развитие в решающей мере определяет народнохозяйственный потенциал и политическую обстановку в стране. Надежное обеспечение продовольствием населения, достаточное для роста и социальной стабилизации страны, всегда являлось стратегической задачей нашего государства.
Уровень развития животноводства зависит от комплектования ферм и животноводческих комплексов животными, создания кормовой базы, выбора системы кормления и способов содержания, организации выполнения работ и др.
Повышение уровня механизации производственных процессов и качества готовых кормов в животноводстве - важные задачи. .
Необходимым условием осуществления поставленных задач является разработка новых и совершенствование известных технологий и технических средств, позволяющих увеличить производительность труда и снизить себестоимость животноводческой продукции.
В первую очередь это относится к кормопроизводству и к вопросам, связанным с подготовкой кормов к скармливанию животным.
Приготовление кормов - один из важнейших технологических процессов в животноводстве. Основной операцией в кормопроизводстве является измельчение компонентов кормовой смеси.
Эффективное измельчение кормов важнейшее условие правильного кормления животных. Кормовая смесь, соответствующая зоотехническим требованиям и определенный гранулометрический состав, обладает лучшей усвояемостью, и позволяет рационально использовать кормовое сырье.
Проблема эффективного измельчения зерна все еще остается насущной, здесь речь идет о качестве зерна, об эффективности его использования в кормовых целях, что определяется требованиями животноводства. Пока еще велик расход кормов и низка продуктивность скота и птицы.
Качество концентрированных кормов предусматривает, прежде всего, их однородный гранулометрический состав, отсутствие недоизмельченнои и снижение пылевидной фракций. Эти параметры позволяют судить о совершенстве рабочего процесса, протекающего в измельчающих машинах.
Уменьшить расход концентрированных кормов за счет повышения их качества - важнейшая народнохозяйственная программа.
Молотковые дробилки, предназначенные для измельчения зерна, имеют большое разнообразие конструкций, связанных с организацией технологического процесса подачи материала в дробильную камеру, измельчения и отвода измельченного продукта.
Недостаток молотковой дробилки состоит в неравномерной дисперсности измельченного продукта. Наряду с недостаточно измельченными частицами появляются и переизмельченные. Получение таких частиц сопровождается значительным расходом электроэнергии. В то же время стремление избавиться от переизмельчения ведет к появлению большого количества недо-измельченных частиц, особенно зерна.
Целью работы является повышение эффективности работы безрешетной молотковой дробилки путем совершенствования технологической схемы, позволяющей за счет доизмельчения продукта вне камеры дробления получать качественные корма с минимальными энергозатратами.
Объектом исследования является технологический процесс доизмельчения и сепарации кормов в сепараторе-измельчителе, работающем в замкнутом цикле с безрешетной молотковой дробилкой.
Предмет исследования - выявление закономерностей доизмельчения и сепарации корма в дробилке с предлагаемой технологической схемой.
Научная новизна:
Обоснована и разработана более совершенная технологическая схема измельчения зерновых кормов. Получены аналитические зависимости силы удара частиц корма о створки жалюзийной решетки от конструктивно-режимных параметров сепаратора-измельчителя.
Практическая значимость:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют решить важную задачу повышения эффективности процесса измельчения кормов на безрешетных молотковых дробилках.
Реализация технологических решений позволяет получить более выровненный гранулометрический состав готового продукта и снизить энергоемкость процесса.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях РГСХА (2005 г.), МичГАУ (2004-2007), БелГСХА (2007).
Публикации:
Материалы диссертации отражены в 4 печатных работах, в том числе 2 в центральной печати.
Структура и объем диссертации:
Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемых источников из 131 наименования и приложений. Общий объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе: 35 рисунков, 5 таблиц.
Анализ технологических схем измельчения зерна и конструкций молотковых дробилок с сепараторами
На молотковых дробилках осуществляют крупное, среднее и мелкое измельчение. Для достижения необходимого качества готового продукта и степени измельчения часто процесс проводят в несколько стадий: дробление и сепарирование на кондиционную и некондиционную фракции.
Известны технологические схемы работы молотковых дробилок (рисунок 1.1). Технологические схемы измельчителей кормов в последние годы разрабатывают в направлении снижения энергозатрат, улучшения качества (равномерности) помола и полной механизации загрузки и выгрузки измельчителей кормами, включая и грубые.
Сложившаяся схема организации рабочего процесса молотковой дробилки с установкой решета непосредственно в дробильной камере обладает рядом недостатков. Измельчаемый материал в дробильной камере доводится до требуемой степени измельчения, после чего его удаляют. При этом образуется большое количество пылевидных частиц, и наличие циркулирующей нагрузки в дробильной камере увеличивает энергозатраты из-за циркуляции слоя. Структурная схема процесса такой дробилки показана на рисунке 1.1, а и называется схемой с открытым циклом.
Преимущества рабочего процесса дробилки с рециркуляцией (рисунок 1.1, б) по сравнению с дробилкой, работающей по открытому циклу, заключаются в том, что дробильная камера не имеет решета и оборудована сепаратором. Сепараторы различного типа (решетные, пневматические, инерционные и комбинированные) делят измельчаемый материал на две фракции — готовый продукт и недоизмельченный (рециркулят).
Рециркулят после сепаратора направляется на доизмельчение в дробильную камеру. Несмотря на преимущества этой технологической схемы, все же наблюдается переизмельчение и неоднородность материала в силу того, что в дробильную камеру поступает как исходный, так и недоизмельчен ный продукт, частицы которого уже имеют нарушенную структуру и разрушаются по-иному, чем исходные куски. Устраняет этот недостаток технологическая схема, представленная на рисунке 1.1, в. Исходный и недоизмельченный продукт поступают в дробильную камеру поочередно за счет накопительной емкости рециркулята. Недостаток данной схемы — нарушение непрерывности технологического процесса. Отсюда вытекает необходимость наличия второй и более стадий измельчения. Схема работы дробилки, представленная на рисунке 1.1 г, дает возможность не смешивать исходный и недоизмельченный продукты в дробильной камере, за счет разделения дробильной камеры по длине на ряд параллельных секций; а также использования нескольких независимых сепараторов. Организация рабочего процесса измельчителей кормов с рециркуляцией и по многостадийному циклам усложняет конструкции машин, делает их более металлоемкими и может быть обоснована лишь значительным улучшением качества измельчения кормов и снижением энергоемкости процесса. При работе безрешетной молотковой дробилки с сепаратором замкнутый воздушный поток действует на всех этапах рабочего цикла в следующей последовательности, способствуя: движению материала в дробильной камере, измельчению и выносу измельченного материала через отверстие решета (для реверсных дробилок) в разделительную камеру или на выгрузку для безрешетных дробилок); эвакуации измельченного материала из зарешетного пространства и его подачи по трубопроводу в циклон; разделению (осаждению) измельченного материала в циклоне или разделительной камере; подаче исходного материала в дробильную камеру. Таким образом, во всех конструкциях молотковых дробилок измельченный материал, как правило, удаляется из дробильной камеры воздушным потоком, создаваемым ротором дробилки или ротором и вентилятором. В настоящее время созданы дробилки, существенно различающиеся между собой по принципу работы, технологической схеме. Они делятся на решетные, универсальные и безрешетные (с рециркуляцией и без рециркуляции). Существующие подходы к классификации имеют односторонний частный характер, в связи с большим числом параметров и конструктивных особенностей. Наиболее известна классификация, в которой молотковые дробилки делятся по способу организации рабочего процесса в дробильной камере [42]. Различают дробилки открытого и закрытого типов [8, 54, 66]. В дробилках открытого типа материал отводится из дробильной камеры, не проходя окружность дробильной камеры. В дробилках закрытого типа материал совершает многократное круговое движение. Наибольший интерес представляют дробилки открытого типа, которые можно разделить на дробилки, работающие по замкнутому или открытому циклам. При замкнутом цикле осуществляется возврат некондиционной фракции в дробильную камеру после отделения от нее готового продукта в сепараторе. При открытом цикле весь продукт выводится из дробилки после одного прохода через дробильную камеру.
Дробилки с замкнутым циклом можно разделить на три группы, отличающиеся по организации разделения материала [98]: в зоне размола, но внутри дробилки; вне дробилки с отдельным воздушным или ситовым сепаратором. На рисунках 1.2-1.21 представлены схемы молотковых дробилок с сепараторами, преимущественно используемых в отраслях пищевой и сельскохозяйственной промышленностях.
Определение силы удара частиц корма о створки жалюзийной решетки
Одной из важнейших технологических операций, влияющих на качество готового продукта в процессах приемки, переработки и зерна является операция сепарирования. К основным признакам разделения неоднородных смесей, которые применяются в сепарирующих системах, относят: разделение материала по геометрическим параметрам, плотности. Состоянию поверхности материала, аэродинамическим свойствам, влажности и пр. Множественность признаков и их всевозможные комбинации привели к созданию различных типов сепараторов. Наиболее часто в зерноперерабатывающих отраслях применяют решетные сепараторы, которые осуществляют разделение зерновой смеси на составляющие ее частицы.
По конструктивному оформлению все многообразие существующих решет можно разделить на два класса.
К первому классу можно отнести плоские решета, которые, в свою очередь, подразделяются на неподвижные, совершающие возвратно-поступательные движения, с круговыми поступательными движениями, с вибрирующим движением.
Второй класс включает решета барабанного типа, основными представителями которых являются цилиндрические и призматические решета с горизонтальной и наклонной осью вращения.
Процессам плоскорешетного сепарирования посвящены работы Блех-мана И.И. и Джанилидзе Г.Ю. [14], Гортинского З.В. [28,29], Гончаревича И.Ф. [26]. Цециновского В.М. [110], Заики П.М.[40] и многих других.
Наиболее распространенными из плоских решет являются решета с возвратно-поступательными движениями (качающиеся). Они установлены на отечественных и многих зарубежных машинах, предназначенных для первичной обработки зерна. К ним можно отнести воздушно-ситовые сепараторы ЗСМ-20, ЗСМ-50, ЗСМ-100, которые применяются для отделения от зерна примесей по геометрическим размерам и аэродинамическим свойствам.
В настоящее время эти решета достаточно хорошо изучены и дальнейшее улучшение их работы трудно осуществимо. Производительность таких решет невысока: от 700 до 1100 кг/м просеивания полидисперсной смеси трудносыпучих материалов.
Плоские вибрационные решета совершают амплитудные высокочастотные колебания (до 60 колебаний в секунду). Такой способ сепарирования еще мало изучен и, по мнению Кожуховского И.Е.[50] является перспективным. Удельная производительность этих решет может достигать 3000 кг/м2. Авторы Кузнецов В.В.[52] и Орлов Е.Л. констатируют, что вибросепарирование уменьшает внутреннее трение и коэффициент вибровязкости сыпучей среды, частицы приобретают большую подвижность, улучшаются условия самосортирования смеси. Таким образом, взаимодействие вибрирующего рабочего органа с обрабатываемой смесью способствует интенсификации внутрислоевых процессов, а это повышает технологическую эффективность сепарации. Просеивание измельченного материала на таких решетах требует дополнительных затрат энергий на привод этих машин, а также фиксированного размера калибрующих отверстий разделяющих поверхностей, что не позволяет использовать их при двухстадийном измельчении зерна с промежуточным контролем крупности.
Неподвижные плоские решета, которые работают со значительным наклоном к горизонту, просты и не требуют привода. Такие сепараторы применяются мало. В последнее время они используются для многофракционного разделения. За рубежом они известны как просеивающие установки "Моген-зена". Такие сепараторы включают несколько ситовых рам, расположенных под различными углами к горизонту, величина отверстий сит убывает к нижним ярусам. Мелкие частицы при разделении проходят вниз через крупные отверстия верхних ярусов, а более крупные отбираются на промежуточных ситовых поверхностях [17,29].
Так как сита устанавливаются под большим углом до 40, их ячейки дают эффект уменьшенного размера отверстий. Такие сепараторы не требуют дополнительных устройств для очистки отверстий, но на них трудно получить проходовую фракцию, удовлетворяющую по крупности требованиям НТД к условиям производства концентрированных кормов [76].
С плоскорешетными просеивающими машинами с ситами, совершающими круговые поступательные движения, на зерноперерабатываю-щих предприятиях используются воздушно-ситовые сепараторы А1-БИС, А1-БАС, которые очищают зерно от примесей по ширине, толщине и скорости витания. Для разделения зерна на фракции применяют сепараторы шкафного типа А1-БСФ-5 и А1-БСШ. Технологические схемы машин позволяют как параллельное так и последовательное прохождение материала через набор горизонтально расположенных ситовых поверхностей. Большой ситовой поверхностью (20-25 м ) и возможностью изменения технологической схемы этого класса машин обусловлено применение их для многофракционного разделения продуктов измельчения зернового сырья. На комбикормовых заводах применяются рассевы ЗРШ-4М, ЗРШ-6М [11, 12]. На зарубежных мукомольных предприятиях широкое распространение получили высокопроизводительные рассевы шкафного типа фирмы "Бюлер-Миаг" [76]. Такие просеивающие машины с плоскими ситами, совершающими круговое поступательное движение нашли распространение на крупных комбикормовых заводах благодаря компактному расположению ситовых поверхностей по высоте. Значительные габаритные размеры, высокие удельные показатели знергома териалопотребления, а также сложность очистки отверстий не позволяет применять их при контроле крупности измельченной смеси на малых предприятиях, снабженных дробилками КДУ-2, КДМ-3, ДКМ-5.
Наиболее перспективным путем интенсификации процесса сепарирования является его ведение под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести. К ним можно отнести сепараторы с цилиндрическими или призматическими ситами с горизонтальной или наклонной осью вращения.
Цилиндрические решета в зерноперерабатывающем производстве мало распространены. Они применялись в универсальном триере ТУ-400 и в некоторых сепараторах для очистки отдельных видов сырья от примесей, а также на мельницах для сортирования отходов. За рубежом они применяются как для предварительной очистки на так называемых скальператорах (в США фирма Саймон-Картер), так и для конечных операций разделения семян по размерам на подсевных и сортировальных решетах (фирмы Хейд в Австралии, Шуле в ФРГ, Моро и Сокам во Франции) [50,76].
Выбор критерия оптимизации жалюзийного сепаратора-измельчителя
Целью экспериментальных исследований являлось получение данных необходимых для подтверждения теоретических результатов, а также исследование влияния на процесс измельчения кормов факторов, не учтенных в теоретическом анализе.
Программа лабораторных исследований предусматривала проверку и уточнение следующих положений: - определение гранулометрических характеристик зерновых материалов и продуктов их измельчения (дерть); - исследование рабочего процесса сепаратора-измельчителя; - определение технологических, качественных и энергетических показателей измельчения зерна на сепараторе-измельчителе; анализ работы дробилки с предлагаемым сепаратором-измельчителем и влияние двухстадииного измельчения и сепарирования на основные показатели дробилки. Методы планирования экспериментов заключаются в выборе такой стратегии, которая позволит принимать обоснованные решения после каждой серии опытов. В связи с этим были разработаны методики планирования инженерного эксперимента [59,67,103]. В качестве метода анализа изучаемых технологических процессов была принята математическая теория планирования эксперимента - метод построения математических моделей различных управляемых процессов, позволяющих значительно уменьшить число опытов, а, следовательно - время и средства на проведение эксперимента. Математическая модель объекта исследования обычно представляется в виде полинома (уравнения регрессии), чаще всего первой или второй степени [59,67]. bij - коэффициенты регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия; Ьц - коэффициенты регрессии соответствующих факторов квадратичного взаимодействия. Такая постановка задачи позволяет оценить долю влияния каждого фактора и взаимодействия тех или иных факторов на критерий оптимизации исследуемого процесса. Все сказанное весьма существенно при исследованиях сельскохозяйственных процессов и машин, когда экспериментатор ограничен во времени сезонностью работ и нестабильностью условий их проведения. Кроме того, при работе сельскохозяйственных машин действуют разнородные факторы, которые с помощью теории планирования эксперимента можно связать в единую зависимость. К настоящему времени предложено множество планов проведения экспериментов, каждый из которых отвечает различным критериям оптимальности. Применение того или иного типа планов требует соответствующего обоснования, исходя из особенностей задачи (требований к статическим свойствам получаемой модели) и имеющихся экспериментальных возможностей. Рекомендации по выбору планов проведения экспериментов приводится в специальной литературе [59, 103]. Мы старались использовать такие планы, которые требуют наименьших затрат на реализацию эксперимента и обеспечивают простоту вычисления коэффициентов модели. Обоснование планов для соответствующих групп опытов, предусмотренных программой наших исследований, излагается ниже. При планировании эксперимента решается вопрос о числе повторно-стей опыта при определении той или иной измеряемой величины. В литературе по обработке результатов измерений известно несколько методов определения необходимого числа повторностей. Число повторностей каждого опыта находили по формуле [67]: где V- вариационный коэффициент изучаемого свойства, %; показатель достоверности, зависящий от принятой вероятности получаемого результата; р- показатель точности исследований, %. По рекомендациям [67] при технических исследованиях для нахождения зависимостей различных факторов достаточна доверительная вероятность р= 0,7-0,9. Коэффициенты регрессии математической модели (4.1) рассчитывали на ЭВМ по стандартным программам регрессионного анализа. Адекватность построенных математических моделей проверялась по F - критерию Фишера, значения которого принимали для 5-ти процентного уровня значимости при конкретном, зависящем от плана эксперимента, числе степеней свободы. Подобный порядок проведения указанных статистических оценок приведен в литературе по планированию эксперимента [59].
Результаты экспериментальных исследований работы сепаратора-измельчителя
Выявлена следующая закономерность - при увеличении частоты вращения разбрасывающей тарелки снижается количество схода Нсх и содержание проходовых частиц Впр в нем. Наименьшее значение наблюдается при подаче материала 0,278 кг/с. Он уменьшается при увеличении частоты вращения от 4000 до 5000 мин"1 с 25 до 12 %. Это связано с тем, что увеличение частоты вращения способствует интенсификации процесса до-измельчения некондиционной фракции и большему выходу проходовых частиц в готовый продукт.
Так, при увеличении подачи от 0,11 до 0,55 кг/с четкость сепарирования составила: при диаметре разбрасывающей тарелки 0,36 - 80%-70 при диаметре разбрасывающей тарелки 0,38 - 83%-74% при диаметре разбрасывающей тарелки 0,4 - 85%-76% 4.3 Анализ работы дробилки зерна с жалюзийным сепаратором-измельчителем По результатам лабораторных исследований сепаратора-измельчителя был разработан и изучен рабочий процесс дробилки открытого типа, работающей в замкнутом цикле с сепаратором-измельчителем. Для этой цели была разработана схема установки, основой которой является дробилка ДБ-5. На рисунке 4.10 изображена конструктивно-технологическая схема устройства для измельчения кормов. Устройство для измельчения кормов содержит загрузной шнековый транспортер 1, загрузочный бункер 2 с дозирующей заслонкой 3 , магнитный сепаратор 4 и расходомер 5, дробильную камеру открытого типа 6 с молотками 7 и деками 8, трубопровод отвода измельченного продукта 9, шнек для вывода готового продукта 10, сепаратор-измельчитель 11, состоящий из жалюзийной решетки 12, разбрасывающей тарелки 13, камеры отвода готового продукта 14, патрубков выхода крупной 15 и мелкой фракций 16, привода 17 разбрасывающей тарелки. Технологический процесс измельчения зерна происходит следующим образом. Шнековым транспортером 1 зерно подается в загрузочный бункер 2. Из бункера 2 через дозирующую заслонку 3 и магнитный сепаратор 4 зерно поступает в расходомер 5, а затем - в дробильную камеру 6. В дробильной камере 6 зерновой материал измельчается под действием молотков 7 и дек 8 и поступает по трубопроводу 9 вместе с воздушным потоком в сепаратор-измельчитель 10. Мелкая и доизмельченная в нем крупная фракции материала под действием сообщенной им кинетической энергии лопастями разбрасывающей тарелки 13 и воздушного потока, проходят через жалюзийную решетку 12 в камеру готового продукта 14 и поступает на шнек 10 для вывода готового продукта. Неизмельченная часть материала, не прошедшая через жалюзийную решетку 12, поступает на возврат в дробильную камеру 6 через патрубок 15 вывода крупной фракции.
Технологический процесс заключается в следующем: исходный продукт измельчается в дробилке и направляется в сепаратор-измельчитель. Мелкая и доизмельченная крупная фракции материала выводятся из него. Некондиционная часть продукта возвращается в дробилку на доизмельче-ние.
Для объективной оценки преимущества дробилки с жалюзийным сепаратором были базовый и предлагаемый образцы. В качестве базовой дробилки выбрана серийно выпускаемая безрешетная дробилка с сепаратором ДБ-5. Анализ экспериментальной установки и дробилки ДБ-5 приведен в таблице 4.2.
В первой строке таблицы представлены значения удельных энергозатрат, полученные при испытаниях. Из результатов видно, что удельные энергозатраты на измельчение при работе экспериментальной дробилки на 23,7 % ниже, чем при работе дробилки ДБ-5.
