Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 12
1.1 Обзор технологий приготовления комбикормов 12
1.2 Анализ конструкций ударно-центробежных измельчителей 26
1.3 Анализ исследований процесса измельчения в ударно-центробежных измельчителях 29
1.3.1 Исследование движения частиц измельчаемого материала в ударно-центробежных измельчителях 30
1.3.2 Определение рационального числа ударных элементов в ударно-центробежных измельчителях 35
1.4 Анализ исследований процесса износа рабочих органов измельчителей ударно-центробежного типа 37
1.4.1 Основы теории износа 37
1.4.2 Износ рабочих органов ударно-центробежных измельчителей 43
1.5 Постановка цели работы и задач исследования 47
2 Теоретические основы повышения эффективности работы ударно-центробежных измельчителей фуражного зерна 50
2.1 Конструктивно-технологическая схема измельчителя ударно-центробежного действия 50
2.2 Расчет скоростей и углов вылета измельчаемого материала с поверхности ударного элемента измельчителя 52
2.3 Расчет рационального числа отбойных элементов ударно-центробежных измельчителей 59
2.4 Расчет рационального числа ударных элементов ударно-центробежных измельчителей 64
2.5 Теоретическое исследование взаимодействия измельчаемой частицы с поверхностью ударного элемента 68
2.6 Определение износа ударных элементов ударно-центробежных измельчителей 73
3 Программа и методика экспериментальных исследований 78
3.1 Программа исследований 78
3.2 Методика экспериментальных исследований 78
3.2.1 Описание экспериментальной установки 78
3.2.2 Методика оценки качества измельчения 79
3.3 Методика определения износа ударных и отбойных элементов 83
3.3.1 Методика определения линейного износа ударных элементов 83
3.3.2 Методика замера износа ударных и отбойных элементов весовым способом 86
3.4 Методика энергетической оценки процесса измельчения 87
4 Экспериментальные исследования ударно-центробежного измельчителя фуражного зерна в лабораторных условиях 89
4.1 Исследование процесса измельчения зерновых культур в измельчителе ударно-центробежного действия 89
4.2 Исследование износа рабочих органов ударно-центробежного измельчителя 108
4.2.1 Исследование износа ударных элементов 110
4.2.2 Исследование износа отбойных элементов 117
4.2.3 Характерные зоны износа плоских ударных элементов 122
4.3 Пути повышения износостойкости и долговечности рабочих органов ударно-центробежных измельчителей 127
5 Результаты опытно-производственной проверки и оценка экономической эффективности измельчителя фуражного зерна 137
5.1 Программа и методика производственной проверки 137
5.2 Результаты опытно производственной проверки ударно-центробежных измельчителей фуражного зерна 138
5.3 Определение экономической эффективности внедрения измельчителя фуражного зерна в технологию приготовления комбикормов 140
Общие выводы и предложения 146
Литература 151
Приложения 1
- Анализ конструкций ударно-центробежных измельчителей
- Расчет скоростей и углов вылета измельчаемого материала с поверхности ударного элемента измельчителя
- Методика экспериментальных исследований
- Исследование износа рабочих органов ударно-центробежного измельчителя
Введение к работе
Актуальность темы. Состояние здоровья животного и его воспроизводительная функция в значительной степени определяется полноценностью кормления, а полное раскрытие генетического потенциала по продуктивности возможно исключительно при условии полного и сбалансированного удовлетворения физиологических потребностей в питательных и биологически активных компонентах. Следовательно, одной из основных составляющих интенсификации производства в животноводстве являются качественные корма.
Измельчение является одним из наиболее энергоемких процессов при производстве комбикормов и кормосмесей и потребляет до 70 % электроэнергии, затрачиваемой на весь технологический процесс. Основным оборудованием для измельчения зерна в комбикормовой промышленности и хозяйствах являются дробилки молоткового типа. К достоинствам дробилок данного типа можно отнести их компактность, удобство отвода готового продукта, легкую замену изнашивающихся деталей (молотки, деки, решета), механизированную загрузку и выгрузку материала. Недостаток их заключается в том, что при тонком измельчении эти дробилки дают до 30 % пылевидной фракции, а при грубом - до 20 % недоизмельченной фракции. Переизмельчение приводит к дополнительным потерям электроэнергии, поэтому дробилки потребляют до 15 кВт-ч/т измельченного продукта. Особенностью процесса измельчения дисперсных материалов является интенсивный износ рабочих органов измельчителей, что снижает эффективность работы машин и приводит к дополнительным материальным затратам.
Совершенно иной, чем у молотковых дробилок принцип работы заложен в основу ударно-центробежных измельчителей, в которых частице измельчаемого материала придается движение в центробежном поле с последующим ударом о движущуюся или неподвижную преграду. Указанные измельчители получили широкое распространение в ряде отраслей промышленности, таких как химическая, строительная и др. Однако из-за малой изученности процесса измельчения зерновых материалов они практически не используются в сельском хозяйстве.
Поэтому исследования, направленные на изучение процесса измельчения и износа рабочих органов и создание измельчителя ударно-центробежного типа для зернофуража являются весьма актуальными.
Цель исследований. Повышение эффективности процесса измельчения фуражного зерна за счет использования усовершенствованного ударно-центробежного измельчителя с выявлением режимов его работы, обеспечивающего снижение энергоемкости процесса и износа рабочих органов.
Объект исследований. Технологические процессы измельчения фуражного зерна и износа рабочих органов в ударно-центробежном измельчителе.
Предмет исследований. Закономерности, характеризующие процессы измельчения фуражного зерна и износа рабочих органов ударно-центробежного измельчителя.
Методика исследований. Достижения поставленной цели работы осуществлялось теоретическими и экспериментальными методами исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием методов классической механики, математического анализа, теории удара и разрушения упругих тел.
Экспериментальные исследования осуществлены с использованием стандартных и частных методик, теории планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики и компьютерных программ.
Научную новизну составляют:
- полученные математические зависимости, позволяющие расчетным
путем определить рациональное число ударных и отбойных элементов
измельчителя;
разработанные математические модели процессов измельчения фуражного зерна и износа рабочих органов измельчителя ударно-центробежного типа;
выявленные характерные зоны изнашивания ударных элементов измельчителя и выработаны меры по увеличению срока их службы и, соответственно, снижению энергоемкости процесса измельчения;
конструктивно-технологическая схема измельчителя ударно-центробежного типа, подтвержденная патентами РФ на полезную модель №66229, №74581.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанный измельчитель ударно-центробежного действия позволяет интенсифицировать процесс измельчения фуражного зерна, снизить затраты энергии и износ рабочих органов измельчителя. Опытные образцы измельчителей внедрены в технологии получения комбикормов ЗАО ПО «Русь», СПК «Михеевский», ГУП ОПХ «Васильевское» Ивановской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Ивановской ГСХА имени академика Д.К. Беляева (2007-2009 г.г.); Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» Ивановского ГХТУ, 2007 г.; 10-й Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - машинно-технологическая модернизация отрасли» Москва-Подольск, 2007 г.; измельчитель фуражного зерна был отмечен Грамотой и Золотой медалью на IV Ивановском инновационном салоне «ІШНОВАЦИИ-2007», Дипломом на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.).
Положения выносимые на защиту:
Конструктивно-технологическая схема измельчителя ударно-центробежного типа.
Теоретическое обоснование конструктивных параметров и технологических режимов ударно-центробежного измельчителя.
Математическая модель процесса измельчения фуражного зерна.
Математическая модель процесса износа рабочих органов измельчителей ударно-центробежного типа.
Результаты проверки предложенного измельчителя в лабораторных и производственных условиях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, и получено 2 патента на полезную модель РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 127 наименований и 19 приложений. Основной текст работы изложен на 165 страницах, содержит 59 рисунков, 7 таблиц.
Анализ конструкций ударно-центробежных измельчителей
Измельчение — один из основных процессов во многих отраслях промышленности. Необходимость производства продуктов с высокой дисперсностью объясняется тем, что ввиду их повышенной реакционной способности техническое применение в технологическом и экономическом отношении эффективнее, чем крупнодисперсных материалов. Многие процессы в промышленности впервые удалось осуществить при использовании тонкоизмельченных продуктов.
Процессы, которые происходят вследствие механического воздействия, являются комплексными и зависят как от вида и интенсивности механической нагрузки, так и от специфических свойств нагружаемых твердых тел. Классификация и детальное описание аппаратов приведены в монографиях Н.А. Козулина и И.А. Горловского, Г.С. Ходакова, П.И. Сиденко. Отдельные типы аппаратов - вибрационные, струйные, с вихревым слоем, дезинтеграторы - описаны в монографиях Г.Е. Роуза, В.И. Акунова, Д.Д. Логвиненко и О.П. Шелякова, И.А. Хинта и др.
В работе Е.Г. Аввакумова [16] по виду преимущественного нагружения выделены три типа измельчителей: 1) измельчители с низкой скоростью нагружения, преимущественно сжатием (шаровые, шарокольцевые, стержневые, бегуны, центробежные и т. 2) измельчители со средней скоростью нагружения, разрушающие материалы, в основном, стесненным ударом (вибрационные, центробежно-планетарные, магнитно-вихревые и т.д.); 3) измельчители с высокой скоростью нагружения, измельчающие материалы преимущественно свободным ударом (ударно-отражательного действия, ударные измельчители, дезинтеграторы и дисмембраторы, молотковые, струйные, роторные и т.д.).
Почти всегда авторы публикаций отдают предпочтение той из них (или всему их классу), с которой они долго и плодотворно работают, причем каждый раз в доказательство такого предпочтения приводят, казалось бы, убедительные экспериментальные данные. Одна группа исследователей отдает предпочтение дезинтеграторам [17 — 21], другая — центробежно-планетарным мельницам [22], третья - ступенчатым мельницам ударного действия [23, 24], четвертая - вибрационным мельницам [25, 26].
Нельзя не упомянуть, что для измельчения зернового сырья в сельскохозяйственном производстве широко применяют молотковые дробилки [27 - 42].
К весьма эффективным измельчителям с центральной загрузкой можно отнести многоступенчатые мельницы ударно-отражательного действия с центральной загрузкой [23, 24, 43]. Типичным представителем таких машин является мельница, изображенная на рисунке 1.4.
Основным рабочим органом этой мельницы является трехступенчатый ротор, установленный на горизонтальном валу. Он помещен в корпус 2, также состоящий из трех ступеней с бронеплитами 3, закрепленными с внутренней стороны. Материал, поступая в корпус через загрузочное устройство 1 под действие ударных элементов 9 диска 4, разгоняется за счет центробежных сил и отбрасывается на плиты 3, измельчаясь за счет удара. Далее материал поступает в зону второго диска 4, и цикл измельчения повторяется, но с большей интенсивностью за счет увеличения скорости удара. Аналогичный цикл измельчения происходит и на третьей ступени 4. Готовый продукт удаляется из мельницы через патрубок 6.
На втором и на третьем дисках расположены лопатки 8 и отверстия 7, позволяющие в мельнице осуществлять элементы классификации.
Широкое распространение в промышленности в качестве измельчителя получили дезинтефаторы, рабочими органами которого являются две вращающиеся в противоположных направлениях корзины с несколькими рядами пальцев. [44 — 46]. Большой вклад в разработку и внедрение в производство внесли сотрудники НПО «Дезинтегратор». Близкими по конструкции и по принципу действия дезинтеграторам являются дисмембраторы, в которых один из дисков с ударными элементами вращается, а с противоположной стороны на торцевой крышке (неподвижный диск) установлены неподвижные штыри в несколько рядов [47,48].
В последние годы отечественная промышленность выпускает измельчители ударно-центробежного действия следующих марок: ИЛС-0,5, ДЦМ-5, ДЗ-6, ДРЦ-2, ДРЦ-5. Удельная энергоемкость процесса измельчения в них не превышает 1,7 кВт-ч/т. Производительность перечисленных машин не превышает 1 т/ч и они не используются при измельчении зерна из-за малой изученности процесса.
Расчет скоростей и углов вылета измельчаемого материала с поверхности ударного элемента измельчителя
Расчет углов и скорости вылета частиц необходим для определения рационального числа ударных и отбойных элементов. Г. Шлауг доказал [55], что разрушение частицы происходит лучше при прямом или близком к нему угле атаки к поверхности отбойного элемента. Углы можно определить, зная скорости вылета частиц с ударных элементов. В ударно-центробежных измельчителях частицы материала начинают движение из центра вращающегося ротора, представляющего собой диск с радиально расположенными на нем ударными элементами. Рассмотрим частицу материала, которая движется по поверхности плоского ударного элемента, и находится на расстоянии г (м) от оси вращения ротора (рис. 2.2). В этом случае частица будет участвовать в двух движениях: относительном — - вдоль ударного элемента и переносном — вместе с диском. Линейная скорость в переносном движении Ve (м/с), при сходе частицы с поверхности ударного элемента определяется из известного выражения: где со — угловая скорость ротора, с" ; RH - радиус вращения внешних кромок ударных элементов, м. Для нахождения относительной скорости частицы запишем уравнение относительного движения материальной точки [90]: где тч— масса частицы, кг; аг— ускорение в относительном движении, м/с ; Р - равнодействующая внешних активных сил, действующих на частицу, Н; Rp — равнодействующая опорных реакций, Н; Фе— переносная сила инерции, Н; Фк— кориолисова сила инерции, Н. Так как сила тяжести мала по сравнению с другими составляющими, поэтому ею можно пренебречь [60, 63], то уравнение (2.2) примет вид: где N — сила нормальной реакции опоры, Н; Fтр — сила трения, Н. Схема сил, действующих на частицу при движении по поверхности ударного элемента ротора, вращающегося с постоянной угловой скоростью, показана на рисунке 2.3. где х", у", z" — проекции ускорения частицы в относительном движении, соответственно на ось х, на ось у, на ось z. Из (рис. 2.3) видим, что ускорение в относительном движении частицы проецируется только на ось Ох, следовательно у = z = 0. В этом случае, исходя из (рис. 2.3) и системы (2.13) величина нормальной реакции равна величине силы инерции кориолиса N = Фк , а сила трения — произведению кориолисовой силы на коэффициент трения Fmp = Фк /. Подставив полученные значения в первое уравнение системы (2.13), получим: Уравнение (2.14) — линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка: Решение уравнения (2.14) примет вид: характеристического уравнения. Из начальных условий движения частицы по поверхности ударного элемента получаем постоянные интегрирования: при t = 0, положение частицы х = г, а г = с} + с2 — расстояние от внутренней кромки ударного элемента до оси вращения ротора, м; при t = 0, относительная скорость частицы равна У = 0, 0 = С]к] + с2к2; отсюда получаем: С учетом постоянных интегрирования уравнение движения частицы, движущейся по поверхности плоского ударного элемента запишем в виде: Дифференцируя по времени уравнение (2.18) получим уравнение радиального компонента скорости частицы Vr: Отношение относительной скорости Vr (2.14) к переносной Fg (2.1) дает значение тангенса угла вылета а частицы с поверхности плоского ударного элемента: Абсолютная скорость вылета частицы V (м) находится как геометрическая сумма переносной Ve и относительной Vr скоростей движения материала:
Методика экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования процессов измельчения фуражного зерна и износа рабочих органов измельчителя проводились в лабораторной установке (рис. 3.1), представляющей из себя ударно-центробежный измельчитель с центральной загрузкой материала и горизонтальным расположением вала ротора. Ситовые решета не использовались. Общий вид измельчителя (без крышки с бункером) показан на рисунке 3.2.
На сварной раме 3 смонтирован корпус 2 измельчителя. В корпусе 2 на валу установлен ротор измельчителя (рис. 3.3), который приводится во вращение посредством клиноременной передачи 10 (2 ремня сечением Б) от электродвигателя 1, мощностью 7,5 кВт, подключенного к электросети напряжением 380В. Ротор состоит из диска с закрепленными на нем ударными элементами в количестве восьми штук. Диаметр ротора 270 мм; длина ударных элементов 60 мм, ширина - 28 мм, толщина - 12 мм. Размеры ударных элементов выполнены по 14 квалитету. Число оборотов ротора изменялось путем соответствующего набора шкивов на валу ротора. Оно варьировалось в пределах от 2960 мин"1 до 5405 мин .
Внутри корпуса 2 на его торцевой поверхности закреплены фиксаторы, в количестве, необходимом для установки плит с отбойными элементами (рис.3.4). Максимальное число фиксаторов — 8. Корпус 2 закрыт крышкой 4, в нижней части которой имеется смотровое окно 5. В центре крышки установлен загрузочный патрубок, через который измельчаемый материал поступает в рабочее пространство корпуса измельчителя. К загрузочному патрубку 8 прикреплен бункер 6.
Подача материала в измельчитель регулируется перемещением заслонки 9. Выгрузка измельченного материала осуществлялась через выгрузочный патрубок 7 в циклон со сборником (на схеме не показаны). Воздух из циклона отводился через рукавный фильтр.
В зависимости от прочности и размера исходного материала подбирается рациональное число и расположение плит с отбойными элементами, которые установлены в фиксаторах и могут легко сменяться.
На раме размещено пусковое устройство (магнитный пускатель с тепловым реле) 11 для пуска и останова электродвигателя. Замеры мощности производили при помощи измерительного комплекта К-505.
Исследование износа рабочих органов ударно-центробежного измельчителя
Измельчители ударного действия в целом, и в частности измельчители ударно-центробежного действия, имеют ряд преимуществ по сравнению с дробилками других типов (щековыми, вальцовыми, конусными): низкую металлоемкость, высокие производительность и степень измельчения, низкий удельный расход энергии, способность к избирательному измельчению, простоту конструкции. Изнашивание рабочей поверхности отбойников и ударных элементов ударно-центробежных измельчителей происходит в результате скольжения измельчаемого материала по поверхности ударных элементов и его ударе об отбойники. В результате износа увеличивается радиальный зазор между билами на роторе и отбойными элементами; износ ударных элементов ведет к изменению направления движения и скорости частиц, вылетающих с поверхности ударных элементов ротора. Известно, что разрушение частицы происходит лучше при прямом или близком к нему углу столкновения ее с поверхностью отбойного элемента. Углы можно определить, зная скорости вылета частиц с ударных элементов. Экспериментальные исследования по износу ударных и отбойных элементов (отбойников) при измельчении кварцевого песка, который многие исследователи используют как модельный материал [18, 19, 21, 49, 43, 69, 103, 104], проводили в измельчителе ударно-центробежного действия [89]. В соответствии с уравнениями (2.1, 2.19 - 2.21, 2.29, 2.31), рассчитаны скорость V и угол вылета частиц а с ударных элементов, а также угол атаки частиц материала /?; к отбойным элементам, а также минимальное расстояние между отбойными элементами L (табл. 4.1). Износ рабочих органов ударно-центробежных измельчителей можно рассчитать по предложенной математической модели (раздел 2.6.). В уравнение (2.54) входит коэффициент пропорциональности с, который определяется опытным путем. Коэффициент пропорциональности с зависит от материала рабочих органов измельчителя, режима работы измельчения. Так, например, при измельчении кварцевого песка с диаметром частиц, равным 0,45 мм, и при частоте вращения ротора 5405 мин" коэффициент пропорциональности будет равен: для стали Ст 3 - 3,8-10"4, стали 40Х - 2,4-10"4, стали 45 - 1,75-10"4, стали 65Г-1,05-10"4. По результатам однофакторных исследований были определены интервалы и уровни варьирования факторов и реализована матрица плана эксперимента 3 [102]. В качестве независимых переменных использовались: Xj — диаметр исходных частиц, мм; Х2 — частота вращения ротора, мин"1; Х3 — производительность измельчителя, кг/ч. В качестве критерия оптимизации выбран: Y] — интенсивность изнашивания по массе, (г/кг). Диапазоны варьирования факторов: 0,45 мм Х} 1,15 мм, интервал 0,35 мм; 3775 мин"1 Х2 5405 мин"1, интервал 815 мин"1; 200 кг/ч Х3 500 кг/ч, интервал 150 кг/ч. Матрица плана и уровни варьирования факторов представлены в таблице приложения Л. Результаты экспериментальных исследований по износу ударных элементов отражены в таблице приложения М. Были получены математические модели процесса износа ударных элементов ударно-центробежного измельчителя, изготовленных из широко распространенных марок сталей разной твердости: По результатам однофакторных исследований были определены интервалы и уровни варьирования факторов и реализована матрица плана эксперимента З4 [102]. В качестве независимых переменных использовались: X] - средний диаметр исходных частиц, мм; Х2 — частота вращения ротора, мин"1; Х3- производительность измельчителя, кг/час, Х4— угол атаки, град. В качестве критерия оптимизации выбран: Yj — интенсивность изнашивания по массе, (г/кг). Диапазоны варьирования факторов: 0,45 мм Х} 1,15 мм, интервал 0,35 мм: 3775 мин" Х2 5405 мин" , интервал 815 мин"1; 200 кг/ч Х3 500 кг/ч, интервал 150 кг/ч; 60 Х4 120, интервал 30. Матрица плана и уровни варьирования факторов представлены в таблице приложения П. Результаты экспериментальных исследований по износу отбойных элементов отражены в таблице приложения Р.
