Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и направления повышения эффективности процесса измельчения кормов. цель и задачи исследований 14
1.1 Состояние исследований в области измельчения кормов 14
1.2 Анализ существующих теорий измельчения кормов 23
1.3 Краткий анализ существующих конструкций измельчителей 26
1.3.1 Измельчители кормов 26
1.3.1.1 Однороторные измельчители и измельчители-смесители кормов 27
1.3.1.2 Двухроторные измельчители-смесители кормов 29
1.3.2 Решетные молотковые дробилки 30
1.3.3 Безрешетные дробилки кормов 33
1.3.4 Измельчители для фермерских и индивидуальных хозяйств 36
1.3.5 Рабочие органы дробилок 39
1.3.6 Измельчители-погрузчики сенажа и силоса 43
1.3.7 Применение измельчителей в приготовлении комбикормов и кормосмесей 45
1.4 Зоотехнические требования к технологии приготовления концентрированных, стебельчатых кормов и кукурузных початков 51
1.4.1 Требования, предъявляемые к молотковым дробилкам кормов 53
1.5 Цель и задачи исследований 55
2 Теоретическое обоснование процессов и средств механизации измельчения кормов 57
2.1 Основы теории молотковых дробилок и постановка задачи по ее приложению к расчету конструктивных параметров измельчителей кормов 57
2.2 Основы теории энергетических затрат молотковой дробилки... 62
2.3 Теоретические предпосылки при разработке безрешетной дробилки кормов 67
2.4 Математическое моделирование рабочего процесса безрешетной молотковой дробилки 68
2.4.1 Математическое описание степени измельчения в общем случае 68
2.4.2 Определение предельно достижимого уровня степени измельчения 71
2.4.3 Математическое описание степени измельчения с учетом зависимости интенсивности дробления от числа частиц 74
2.4.4 Изучение степени измельчения с учетом ее предельного значения 76
2.4.5 Обоснование уравнения кинетики процесса дробления 79
2.5 Имитационная модель процесса дробления на основе статистической теории 83
3 Программа и методика экспериментальных исследований технических средств приготовления кормов 86
3.1 Программа экспериментальных исследований безрешетной молотковой дробилки «Кама-50 Д» 86
3.2 Описание опытных дробилок и экспериментальных установок.. 87
3.3 Измерительная аппаратура и общая методика измерения качества дробления, пропускной способности и потребной мощности 97
3.4 Методика определения скорости движения воздушно-продуктового слоя и интенсивности удара материала о корпус в рабочей камере дробилки 100
3.5 Планирование эксперимента по исследованию безрешетной молотковой дробилки 101
3.5.1 Обоснование уровней и интервалов варьирования факторов 102
3.5.2 Методика обработки результатов эксперимента и определение погрешности измерения 105
3.6 Методика экспериментальных исследований универсального измельчителя кормов «Кама-50М» 107
3.7 Методика лабораторных испытаний корнеклубнерезки «Кама-50К» 109
3.7.1 Порядок проведения испытаний 109
3.8 Методика лабораторных испытаний вертикальных смесителей концентрированных кормов 110
3.8.1 Порядок проведения испытаний 110
3.8.2 Определение однородности смеси 112
3.9 Методика производственных испытаний универсального погрузчика «УП-3» 113
4 Экспериментальная проверка теоретических разработок и анализ результатов исследований 114
4.1 Результаты исследования модуля помола, пропускной способности и потребной мощности безрешетной молотковой дробилки «Кама-50 Д» 114
4.2 Определение скорости движения воздушно-продуктового слоя и интенсивности удара частиц о корпус дробилки 121
4.3 Определение места расположения выгрузной горловины в безрешетной дробилке 126
4.4 Анализ влияния показателей рабочего процесса на эффективность дробления 131
4.5 Результаты лабораторных и производственных испытаний универсального измельчителя «Кама-50М» 137
4.6 Результаты лабораторных испытаний измельчителя корнеклубнеплодов «Кама-50К» 141
4.7 Анализ результатов исследований качества смешивания 142
4.8 Результаты производственных испытаний универсального погрузчика сенажа и силоса «УП-3» 144
5 Разработка новых технических средств приготовления кормов 147
5.1 Современные тенденции развития производства кормов 147
5.1.1 Использование измельчителей в кормоприготовлении 154
5.1.2 Измельчение кукурузных початков восковой спелости 154
5.2 Устройство и принцип работы универсального измельчителя кормов «Кама — 50М» 161
5.3 Измельчение корнеклубнеплодов 166
5.3.1 Устройство и принцип работы измельчителя «Кама-50К».. 166
5.4 Измельчение концентрированных кормов 169
5.4.1 Устройство и принцип работы безрешетной молотковой дробилки концентрированных кормов «Кама-50Д» 169
5.5 Механизация приготовления комбикормов в условиях сельского товаропроизводителя 173
5.5.1 Технология приготовления комбикормов и кормосмесей... 173
5.5.2 Устройство и принцип работы комбикормового агрегата «АКМ-8» 175
5.6 Механизация разгрузки сенажных и силосных траншей 178
5.6.1 Устройство и принцип работы универсального погрузчика «УП-3» 179
6 Оценка экономической и энергетической эффективности объектов исследований 183
6.1 Расчет технико-экономических показателей новых технических средств приготовления кормов 183
6.2 Энергетический анализ разработанных технических средств приготовления кормов 187
Общие выводы 197
Список литературы 201
- Измельчители для фермерских и индивидуальных хозяйств
- Математическое описание степени измельчения в общем случае
- Измерительная аппаратура и общая методика измерения качества дробления, пропускной способности и потребной мощности
- Определение скорости движения воздушно-продуктового слоя и интенсивности удара частиц о корпус дробилки
Введение к работе
Одной из наиболее актуальных проблем современного аграрного производства является обеспечение населения в достаточном количестве качественными продуктами животноводства. В целях успешного удовлетворения растущих потребностей в мясомолочных продуктах необходимо развивать скотоводство, что в свою очередь напрямую связано с созданием прочной кормовой базы. Обеспечение животных полноценными кормами, сбалансированными по питательности в соответствии с запланированной продуктивностью, — одно из решающих условий увеличения производства и улучшения качества продуктов животноводства. Качество кормов, степень сбалансированности, а также рационы кормления оказывают значительное влияние на продуктивность животных, на качество получаемой продукции, а также на здоровье самих животных.
Известно, что питательные вещества активно усваиваются животными в измельченном виде, так как в измельченных кормах увеличивается активная поверхность частиц. Это способствует ускорению процесса пищеварения и усвояемости питательных веществ.
В зависимости от обрабатываемых кормов и их назначения, принятой технологии приготовления кормов, вида сельскохозяйственных животных применяются разные способы измельчения.
Процесс резания в основном применяют при измельчении грубых кормов и корнеклубнеплодов. Корнеклубнеплоды занимают большую долю в рационах кормления для большинства видов животных. К ним относят кормовую и сахарную свеклу, картофель, морковь, турнепс и т.д. Их отличают хорошие вкусовые качества и хорошая поедаемость. Особую кормовую ценность они представляют для крупного рогатого скота. Известно, что включение корнеклубнеплодов в рационы дойных коров увеличивает поедаемость объемистых кормов, улучшает перевариваемость органических веществ, а также увеличивает продуктивность.
8 На сегодняшний день еще слабо решены вопросы механизации очистки
и мойки, а главное - измельчения корнеклубнеплодов. Ряд машин и агрегатов
имеют низкую пропускную способность и несовершенство рабочего
процесса измельчения, которое сопровождается потерей сока.
Очень важное значение в рационе животных имеют консервированные корма: сенаж и силос. В настоящее время силос заготавливают не только из цельных растений кукурузы, но и из зерно-стержневой массы. Это позволяет значительно снизить потери сухого вещества при силосовании и увеличить питательность корма. На долю сенажа и силоса в рационе молочных животных приходится по массе более 60 %. При этом сам процесс заготовки и разгрузки сенажных и силосных траншей довольно сложный и трудоемкий. Лучшим образом в существующей системе машин решена механизация закладки сенажа и силоса, а слабомеханизированными являются процессы разгрузки сенажных и силосных траншей. Существующая техника имеет невысокую надежность в работе и низкую долговечность.
В целом актуальной остается проблема повышения качества измельчения. Ее решение позволит исключить дополнительное измельчение кормов в кормоцехах и повысить усвояемость кормов. Особенно это важно при использовании силосованных кормов из зерно-стержневой массы кукурузы, так как зерно кукурузы имеет твердую оболочку и если ее не разрушить, то зерно «транзитом» проходит через желудочно-кишечный тракт животного.
Процесс дробления в основном используется при измельчении концентрированных кормов. Три четверти урожая зерновых идет на корм птице и скоту. На измельчение зерна и приготовление смеси требуется несколько млрд кВт-ч электроэнергии [7].
В настоящее время для измельчения фуражного зерна широко используются решетные молотковые дробилки, в которых для регулирования размеров измельченного зерна применяют сменные решета с различными диаметрами отверстий. Однако использование таких дробилок затруднено, а
9 подчас и невозможно, при измельчении концентрированных кормов
повышенной влажности (более 17%), а также початков кукурузы. При этом
происходит забивание решета, что приводит к снижению
производительности машины, увеличению затрат энергии. Использование
решет ведет также и к переизмельчению материала, что существенно
увеличивает затраты энергии и снижает качество продукции. Дробление
кормов повышенной влажности особенно актуально в связи с возделыванием
в ряде регионов страны кукурузы по зерновой технологии, которая
предусматривает выращивание кукурузы до восковой спелости. При этом
использование существующих молотковых дробилок для измельчения
початков становится неэффективным, и даже невозможным. Применение для
этих целей существующих измельчителей с известными рабочими органами
не позволяет получить измельченный материал необходимого качества.
В связи с этим возникает необходимость в разработке и применении в сельскохозяйственном производстве измельчителей с новыми рабочими органами. Одним из решений этой проблемы является создание измельчителей, обладающих более широкими технологическими возможностями с использованием безрешетных молотковых дробилок.
Известно, что на животноводческих фермах в структуре потребления энергии на корма приходится до 80 % затрат энергии. На приготовление кормов расходуется 25...30 % общих энергозатрат [7,194]. Поэтому разработка энергосберегающих технологий и технических средств является актуальной проблемой. Решение ее позволит повысить эффективность сельскохозяйственного производства в целом.
Перспективные технические средства должны удовлетворять требованиям прогрессивных технологий с учетом различных форм хозяйствования и организации труда.
В настоящее время наметились две основные тенденции в разработке и создании измельчителей кормов:
— совершенствование рабочих органов и рабочего процесса
существующих измельчителей в сторону уменьшения энергопотребления и улучшения качества получаемого продукта на основе классических технологий приготовления кормов;
— создание новых машин, с новыми рабочими органами, на основе
перспективных энергосберегающих технологий в кормоприготовлении.
К таким технологиям можно отнести приготовление комбисилоса, консервирование фуражного зерна 30 % - ой влажности, консервирование и хранение зерна кукурузы, заготовка высококачественного силоса из зерна кукурузы восковой спелости, приготовление полнорационных комбикормов из собственного зернового сырья и покупных промышленных белково-витаминных, минеральных добавок и премиксов.
Таким образом, становится очевидной необходимость разработки и создания технических средств измельчения кормов с широкими технологическими возможностями на основе энергосберегающих технологий приготовления кормов в животноводстве.
Научная новизна заключается в расширении технологических возможностей и снижения энергозатрат измельчителей кормов на основе совершенствования технологического процесса и технических средств, а также:
- в закономерностях основных показателей работы безрешетных молотковых дробилок от факторов, влияющих на качество и энергоемкость процесса;
- в новых уравнениях кинетики процесса дробления в безрешетной
молотковой дробилке;
- в математических моделях рабочего процесса безрешетной
молотковой дробилки кормов;
- в рациональных конструктивно-технологических схемах измель
чителей и дробилок концентрированных кормов, позволяющих
интенсифицировать рабочий процесс за счет повышения эффективности
воздействия рабочих органов на материал, новых конструкций рабочих
органов, оптимизации конструктивных параметров и технологического процесса. (Патенты РФ №№ 2119821, 2120726, 2131776, 2137350,2236297)
На защиту выносятся следующие положения:
Теоретические предпосылки, описывающие процесс дробления в безрешетных молотковых дробилках кормов.
Математические модели процесса измельчения в безрешетных молотковых дробилках кормов.
Закономерности изменения основных показателей работы безрешетных молотковых дробилок в зависимости от факторов, влияющих на процесс дробления.
Технические решения, обеспечивающие надежное регулирование модуля помола в безрешетных дробилках.
Новые технические средства измельчения кормов, обладающие более высокими технико-экономическими показателями.
Конструктивно-технологические схемы и основные параметры перспективных измельчителей кормов, погрузчика-измельчителя силосованных кормов, агрегата для приготовления комбикормов.
Результаты лабораторно-производственных исследований и производственных испытаний разработанных машин и их технико-экономическая и энергетическая эффективность.
Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Казанской ГСХА (1991...2004 гг.); на Республиканской научно-практической конференции «Механизация сельского хозяйства» (Казань, АН Республики Татарстан, 1999 г.); на Международной научно-практической конференции, посвященной 10-летию Независимости Республики Казахстан (Астана, 2001 г.); на юбилейной* Международной конференции "Проблема механизации сельского хозяйства" (Казань, 2002 г.);на II и III Международных научно-практических конференциях «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2001 г., 2003 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Агроэкологические
12 проблемы сельскохозяйственного производства в условиях техногенного
загрязнения агроэкосистем» (Казань, 2002 г.); на XI Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (Казань, 2002 г.); на III Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2003 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Наука и инновационные технологии для регионального развития» (Пенза, 2003 г.); на IV Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (Казань, 2003 г.); на научных конференциях Ижевской ГСХА (Ижевск, 1997 г., 2002 г., 2004 г.); Чувашской ГСХА (Чебоксары, 2001 г.); Вятской ГСХА (Киров, 2002 г.); на научно-технических советах МСХ и П РТ (Казань, 1991...1994 гг., 2001...2003 гг.); на научно-техническом совете отделения сельскохозяйственных наук АН Республики Татарстан (Казань, 2002...2004 гг.). Отдельные разработки демонстрировались на ВЦ «ВИКО» (Казань, 1995г., 2001...2004 гг.), на Российской агропромышленной выставке (Москва, 2001, 2003 г.). Разработки, выполненные под непосредственным руководством и с участием автора, удостоены грантов АН Республики Татарстан из фонда НИОКР (2002, 2003, 2004 гг.), отмечены Бронзовыми медалями Российской агропромышленной выставки (ВВЦ, Москва, 2001г., 2003г.).
Основные результаты исследований опубликованы в 51 работе автора, в том числе в монографии (11,75 усл.печ.л.), получено 5 патентов РФ.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Казанской, Вятской, Ульяновской, Ижевской, Чувашской ГСХА. Результаты исследований и практические рекомендации внедрены в хозяйствах агропромышленного комплекса Республики Татарстан. Малогабаритный комбикормовый агрегат АКМ-8 и безрешетная молотковая дробилка внедрены в Учхозе Казанской ГСХА, безрешетная молотковая дробилка также внедрена в НПО «Медикосервис», универсальный погрузчик сенажа и
13 силоса УП-3 в подсобном хозяйстве ПО «Оргсинтез» и ОПХ
«Столбищенское» Лаишевского района РТ, универсальный измельчитель
кормов в кормоцехе ОПХ «Столбищенское» Лаишевского района РТ в
технологической линии приготовления кормов. Конструкторские
документации на универсальный измельчитель кормов, безрешетную
дробилку, погрузчик сенажа и силоса переданы в производство в ОАО
«Завод нестандартного оборудования».
Научные исследования выполнялись в соответствии с планом научно-
исследовательских работ Казанской государственной сельскохозяйственной
академии «Расширение технологических возможностей измельчителей
кормов и повышение эффективности процесса измельчения» (Гос.№ 01.2.00
106680), входящим в комплексную программу исследований; планами
Минсельхозпрода РТ в соответствии с научно-технической программой
«Механизация», а также в соответствии с Программой развития
приоритетных направлений науки в РТ на 2001-2005 годы (направление
«Эффективность агропромышленного производства»), тема
«Энергосберегающие технологии и технические средства измельчения кормов», с координационной программой по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов» на 2001-2005 гг.
Автор приносит особую благодарность за помощь в работе над диссертацией профессору Волкову И.Е., а также профессору Берим Г.О., доцентам Фролову В.Ф., Архипову СМ., Матяшину А.В., принимавшим участие в решение отдельных задач по теме диссертации и оказавшим практическую помощь на разных этапах выполнения диссертационной работы.
Измельчители для фермерских и индивидуальных хозяйств
С развитием рыночных отношений, преобразованием колхозов и совхозов, а также разукрупнением крупных животноводческих комплексов значительную долю в составе сельских товаропроизводителей занимают индивидуальные и фермерские хозяйства. Например, в Республике Татарстан в 2002 г. доля этих хозяйств в валовом производстве продукции животноводства доходила по мясу до 50%, по молоку - до 40%. С каждым годом число таких хозяйств медленно, но неуклонно растет. Более того, по мере углубления рыночных отношений, повышения товарности фермерских и индивидуальных хозяйств из общей массы выделяются хозяйства, специализирующиеся на производстве товарных кормов.
Разумеется, фермеры, имеющие небольшое хозяйство (по сравнению с животноводческими комплексами), не нуждаются в применении высокопроизводительных, габаритных, металло- и энергоемких технических средствах механизации производства. Зачастую такие машины и механизмы просто не помещаются в производственных помещениях. Тем более не нуждаются в них индивидуальные хозяйства. Для такого рода производителей животноводческой продукции необходимо иметь минимальный набор технологического оборудования, позволяющий механизировать основные производственные процессы: доение, приготовление и раздачу кормов, удаление навоза и т.д. При этом важно, чтобы оборудование было универсальным, компактным, недорогим и простым в обслуживании. При необходимости ремонта желательно иметь возможность осуществить его в собственном хозяйстве.
Надо отметить, что и раньше промышленность производила целый ряд машин для механизации процессов именно для частного подворья и подсобных хозяйств.
При этом серийно выпускались машины для дробления и плющения зерна, измельчения корнеклубнеплодов - с ручным и электроприводом, измельчители грубых кормов и пищевых отходов. Был налажен выпуск комбинированных машин, которые совмещали несколько технологических операций или имели возможность измельчать различные корма. Особенно нужно отметить, что промышленность освоила выпуск универсальных измельчителей, которые совмещали, после соответствующей переналадки, выполнение технологических операций как при приготовлении кормов, так и при выполнении общехозяйственных операций, таких как заточка инструментов, распиловка дров и т.д. [157].
В качестве примера можно привести дробилку фуражного зерна ДЗ-Т-1, плющилку зерна ПЗ-Т-0,1 «Белка», измельчитель корнеклубнеплодов ИКФ 38 150, комбинированный измельчитель ДЗК-1.Имеющая ряд достоинств ДЗ-Т-1 не лишена и недостатков, например, в ее конструкции используется конденсаторный электродвигатель, требующий периодических остановок, присутствует неравномерность подачи зерна в рабочую камеру. Несмотря на простую конструкцию, небольшую металло- и энергоемкость, измельчитель корнеклубнеплодов ИКФ-150 требует предварительного измельчения материала.
Комбинированный измельчитель ДЗК-1 имеет другой недостаток: он переизмельчает материал.
В настоящее время различные заводы разрозненно, на свой страх и риск производят довольно большой ассортимент техники для мелких и средних сельских товаропроизводителей. Например, ООО «Уралспецмаш» выпускает измельчитель зерна «Фермер» различной модификации производительностью от 100 до 250 кг/ч, АО «ВНИИКОМЖ» - дробилку зерна производительностью 1 и 2 т/ч. ОАО Алтайский приборостроительный завод «Ротор» выпускает бытовую электрическую зернодробилку «Колос». Производительность зернодробилки 60 кг/ч, рабочим органом является нож. НІЖ «Экар-Авто-ЭНВО» (г. Воронеж) освоил выпуск зернодробилки «Энергия», производительность которой достигает до 20 ... 30 кг/ч. Казанская фирма ЗАО «Кулонэнергомаш» выпускает дробильный агрегат ДА-1, с пневмозабором компонентов.
ОАО «Казанское МПО» изготавливает навесную кормодробилку ДКН-1, особенностью которой является то, что она агрегатируется с мотоблоками МБ-1 и МБ-2. В г. Кропоткин в ОАО «Элеваторсельмаш» освоено производство роторной дробилки У10-ДР-Ф, которая позволяет одновременно дробить и смешивать зернобобовые компоненты. Слободской машиностроительный завод (г. Киров) предлагает бытовой измельчитель концентрированных кормов. Анализ измельчителей для индивидуальных и фермерских хозяйств выполнен автором в работе [85]. Как видно из вышеприведенных примеров, разработка и создание измельчителей кормов остается актуальной и на сегодняшний день. Очень важно, чтобы эти машины конструировали и изготавливали специалисты с учетом требований зоотехнии и сельских товаропроизводителей. Определяющее значение в процессе измельчения имеют рабочие органы машин и аппаратов.
К рабочим органам дробилок относятся: молотки, деки, решета. Благодаря им происходит измельчение исходного материала до нужных размеров. Молотки толщиной до 3 мм применяют для измельчения зерна и зернопро-дуктов, для стебельчатых кормов применяют молотки толщиной более 8 мм.
Ресурс молотков до замены составляет обычно от 70 до 300 часов работы [98,]. Широкое распространение получили молотки, изготовленные из марганцовистой стали прямоугольной формы. Они просты в изготовлении, удобны при замене в результате износа. При этом с перестановкой работают последовательно все четыре грани. Молотки со ступенчатыми концами имеют большую рабочую поверхность, однако сложны в изготовлении и быстро изнашиваются. Известны молотки с криволинейной гранью с зубцами на концевой части. Они также сложны в изготовлении, и срок службы у них в 2 раза меньше. Кольцевые молотки удобны тем, что их не надо переставлять. Износ рабочих граней у них происходит равномерно в процессе работы, так как молотки постоянно меняют свое месторасположение вокруг своей оси. Однако при пуске и остановке дробилки возникает большой дисбаланс, в результате которого подшипники испытывают большие ударные нагрузки.
Математическое описание степени измельчения в общем случае
При аналитическом рассмотрении процесса дробления на базе основного уравнения статистической теории трудно учесть в общем виде зависимость вероятности дробления частицы при ударе от ее массы (объема). Однако, очевидно, что эта зависимость оказывает значительное влияние на процесс дробления и поэтому должна как можно точнее учитываться при расчете конструктивных параметров.
Для теоретического изучения этого вопроса рассматривается имитационная модель процесса дробления, реализованная на ЭВМ и основанная на следующих предположениях: 1. При каждом ударе любая частица может разбиваться только на две частицы одинакового объема; 2. Вероятность дробления при ударе зависит от массы (объема) частицы по задаваемому закону. При расчетах предполагается, что в начальный момент времени имеется одна частица единичного объема, которая подвергается заданному числу ударов. После каждого удара подсчитывается число частиц, имеющих объемы 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, а также подсчитывается степень измельчения и энергия, затраченная на дробление, которая рассчитывается по поверхностной теории. Расчеты завершаются либо тогда, когда будут совершены все заданные удары, либо тогда, когда разобьется одна из частиц объема 1/32. Затем опыт повторяется. После завершения серии опытов, число которых задается, для каждого удара рассчитывается средняя степень измельчения и затраченная энергия. Эта модель реализована на ПЭВМ (Приложение Б). В заключение можно отметить, что в работах Алешкина В.Р. предполагалось, что коэффициент дробления іп в уравнении (3.2.) пропорционален числу частиц. Получается, что чем больше становится частиц, тем быстрее идет процесс дробления. Чтобы этого не было Алешкин В.Р. делает второе предположение: - Т. Проведенные теоретические исследования по-зволили нам обобщить формулу Алешкина В.Р. введением двух параметров а и д. При а = 3 =1 получается зависимость (2.22.). Формулы (2.43, 2.53) позволяют предположить, что коэффициент дробления /„ должен зависеть фактически от числа частиц и, уже через это число, от времени. Формула (2.43) исходит из того, что процесс измельчения не прекращается, пока работает измельчитель. А формула (2.53) предполагает существование для каждой конструкции и режима работы своего предела измельчения. Как отмечалось в данном разделе для конкретизации полученных теоретических зависимостей необходимо экспериментальным путем определить числовые параметры процесса дробления в безрешетной молотковой дробилке, при этом оценить адекватность вышеуказанных теоретических зависимостей результатам эксперимента. Программа лабораторных и лабораторно-производственных экспериментов составлена с учетом требований изложенных в [126,191,198,205] и предусматривала следующие задачи: 1. Исследование влияния времени пребывания измельчаемого материала в рабочей камере на модуль помола или степень измельчения. 2. Исследование влияния конструктивных параметров статора на эффективность работы дробилки: - влияние количества и месторасположения бичей; - влияние месторасположения загрузочной горловины; - влияние поворотных жалюзи; - влияние изменения проходного сечения выгрузного канала. 3. Определение скорости воздушно-продуктового слоя в рабочей камере безрешетной молотковой дробилки кормов. 4. Определение энергетических показателей рабочего процесса безрешетной молотковой дробилки. 5. Обоснование месторасположения выгрузной горловины безрешетной дробилки. 6. Исследование интенсивности удара измельчаемого материала о внутреннюю поверхность рабочей камеры дробилки. 7. Определение эффективности использования безрешетной молотковой дробилки в производственных условиях. Для проведения исследований были разработаны и изготовлены опытные безрешетные молотковые дробилки кормов (рисунки 3.1, 3.2), соответствующие формулам изобретений патентов РФ № 2119821, 2120726, 2131776, 2137350, 2236297 (рисунки 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7).
Дробилка состоит из сварной рамы, корпуса дробильной камеры 1, вертикального ротора 2, представляющего собой молотковый барабан, установленный на вертикальном валу, который вращается в подшипниковом узле 3. Привод осуществляется от электродвигателя 10 через клиноременную передачу. Имеется приемный бункер 8, загрузочная 4 и выгрузная 5 горловины с регулировочными заслонками 6, 7. На внутренней поверхности рабочей камеры установлены сменные бичи 9 и поворотные жалюзи 11. Жалюзи соединены с регулировочным устройством 12.
Рабочий процесс осуществляется следующим образом. Исходный материал (зерно) загружается в определенном количестве в приемный бункер 8. При открытии заслонки 7 зерно через загрузочную горловину 4 поступает в рабочую камеру дробилки, где происходит измельчение за счет ударных действий молотков, удара о внутреннюю поверхность рабочей камеры, истирания в воздушно-продуктовом слое. Измельченный материал удаляется из камеры через выгрузную горловину 5. Заслонкой 6 регулируется степень открытия выгрузной горловины, т.е. меняется ее пропускная способность. С помощью заслонки 7 изменяется производительность дробилки.
Измерительная аппаратура и общая методика измерения качества дробления, пропускной способности и потребной мощности
Регулирование степени измельчения и изменение времени пребывания воздушно-продуктового слоя в рабочей камере осуществляют: - путем перемещения загрузочной горловины вместе с приемным бункером верх-вниз по корпусу дробильной камеры; - с помощью поворотных жалюзи, расположенных в рабочей камере; - изменением количества и месторасположения неподвижных бичей на внутренней поверхности рабочей камеры; - шиберной заслонкой на выгрузном канале дробилки. Расчет степени измельчения и модуля помола проводились по известной методике и формулам [194]. Степень измельчения X для каждого случая определялась как соотношение эквивалентного диаметра зерен до измельчения к средневзвешенному диаметру частиц измельченного материала после дробления. Ситовый анализ производился на решетном классификаторе "Thyr-2" со сменными металлическими пробивными решетами с круглыми отверстиями различного диаметра, позволяющем проводить ситовый анализ как для Измерение массы навесок производилось на технических весах ВЛКТ-500М. Решета устанавливались в пакеты сверху вниз от крупных отверстий к мелким. Измельченный материал с последнего решета собирался на поддоне. Навеска дробленного материала в количестве 100 гр. просеивалась через набор решет с крупными отверстиями диаметром 5,3,2,1 мм. Верхнее решето диаметром 5 мм являлось контрольным для учета целых зерен, наличие которых не допускается. Ситовый анализ проводился на решетном классификаторе в течение 20 минут. Просеивание считалось законченным, когда при контрольном просеивании в течении одной минуты количество продукта, прошедшего через решето, не превышало 1% от количества оставшегося на решете. Потери при просеивании не превышали 1% и их распределяли пропорционально полученным фракциям. Оценка качества измельченной зерновой смеси, а также различных зерен проводилась по ГОСТу 8770-58. Засоренность зерна определялась по ГОСТу 135862-81, влажность зерна и смеси - согласно ГОСТ 8.432-81 [40,49,90,96,97,178,179]. В качестве измельчаемого материала использовались зерна различных сельскохозяйственных культур - ячменя "Итиль", ржи "Татарский -1", пшеницы "Люба", овса "Скакун", а также смесь из вышеназванного зерна при влажности 12 %. Измельчался также солодковый корень. Оценка качества измельчения солодкового корня проводилась согласно ГОСТу 22839 - 88. Работа дробилки оценивалась в соответствии с ГОСТом 23445-79 "Дробилки молотковые. Общие технические условия". Рабочие замеры затрат энергии проводились измерительным комплектом К-51, позволяющим замерять напряжение, силу тока, активную, реактивную и емкостную мощности, с трансформатором тока И-520 (ГОСТ 9032-59) (рисунок 3.13), а контрольные замеры выполнялись методом тензометриро-вания. При подсчете результатов измерений действительные величины измеренной мощности Р определялись из выражений : где Cw -постоянная ваттварметра; aw - значение по шкале ваттварметра, дел.; rj - КПД электродвигателя (принимаем из справочных данных, в заваи-симости от нагрузки) Аналогично подсчитывались действительные значения величин измеренного тока, напряжения. Подсчет измеряемой мощности, напряжения, тока производились с учетом коэффициентов трансформации используемых измерительных трансформаторов напряжения и тока. При определении места расположения выгрузной горловины отбор измельчаемого продукта проводился в полотняные мешочки из отверстий, которые были проделаны концентрично в корпусе дробилки на расстоянии 158 мм друг от друга (рисунок 3.14), начиная от места загрузки материала. Отверстия были проделаны по касательной к внутренней поверхности рабочей камеры для того, чтобы при отборе материал не встречал на своем пути препятствия. Отбор материала проводился на трех уровнях по высоте дробильной камеры в трехкратной повторности.
Пропускная способность безрешетной дробилки изменялась при помощи шиберной заслонки путем изменения сечения загрузочного канала. При различном проходном сечении загрузочного канала с помощью секундомера определяли время прохождения одной порции измельчаемого материала массой в 10 кг.
Определение средней скорости воздушно-продуктового слоя производилось с помощью строботахометра 2ТСт-32 -456 (рисунок 3.13). Для подтверждения и наглядности определения скорости слоя были проведены фотосъемки фотоаппаратом "Зоркий-4" на пленках ФН-64, ФН-250 ГОСТ 24876- повторностью. Съемка проводилась в темноте при свете вспышек стробота-хометра. Скорость воздушно-продуктового слоя определялась по тарированной шкале прибора. Первоначально количество вспышек устанавливалось на величину, равную половине частоты вращения молотков барабана. Затем количество вспышек регулировалось до появления момента "остановки" частиц измельчаемого материала. В этом случае частота вращения частиц и количество вспышек за секунду совпадали. Отсюда определяли скорость частиц по известным формулам [194]. Также определяли размеры частиц измельченного материала после каждого бича в рабочей камере.
Интенсивность удара измельчаемого материала о внутреннюю поверхность рабочей камеры определяли по площади износа лакокрасочного покрытия. Покрытие внутренней поверхности: грунтовка ФЛ-03К, коричневая ГОСТ 9109-81 V УХЛ4. Характер износа определялся визуально. Площадь износа определялась при помощи планиметра. Большая площадь износа покрытия соответствует более интенсивному удару измельчаемого материала о поверхность рабочей камеры.
Определение скорости движения воздушно-продуктового слоя и интенсивности удара частиц о корпус дробилки
Как известно [129], обязательное разрушение зерна при однократном ударе имеется лишь при скоростях удара 100...114 м/с, при этом происходит гарантированное разрушение всех зерен измельчаемого материала. Конечно, необходимо учитывать, какой материал при этом измельчается, его свойства, конструктивные и технологические параметры самой дробилки. При скорости молотков 40...45 м/с для измельчения зерен ячменя необходимо нанести по зерну 30...40 ударов влет.
В решетных молотковых дробилках сельскохозяйственного назначения окружная скорость молотков находится в пределах 50...70 м/с. Поэтому материал в этих дробилках измельчается в основном многократными ударами молотков, а также путем истирания в воздушно-продуктовом слое и удара о неподвижные деки и решета.
В безрешетной молотковой дробилке окружная скорость молотков достигает 100 м/с. Это необходимо для гарантированного разрушения основной массы измельчаемого материала. Но при этом необходимо учитывать, что увеличение частоты вращения барабана приводит к увеличению затрат энергии на вентиляцию в третьей степени. Поэтому при выборе окружной скорости молотков нужно учитывать и экономическую эффективность работы дробилки. На процесс дробления важное влияние оказывают и такие факторы, как интенсивность дробления, время пребывания материала в рабочей камере, конструктивные параметры дробилки.
При дроблении молоткам приходится ударять по зерну, движущемуся со скоростью, равной половине окружной скорости молотков. Это, несомненно, уменьшает ударный импульс, получаемый зерном от молотков. В этом случае значение ударного импульса и количества ударов молотка по зерну может не хватить для разрушения зерна. На практике для решения этой задачи скорость молотков принимают в 1,5...2,0 раза больше значения расчетной разрушающей скорости молотков [129].Это приводит к увеличению энергоемкости дробления, предъявляет более высокие требования к подшипниковым узлам, к балансировке ротора дробилки, что, несомненно, усложняет и удорожает конструкцию изделия.
Для решения этой задачи предлагается увеличить скорость и количество соударений молотка и зерна, находящегося в воздушно-продуктовом слое, не увеличением скорости молотков, как было сказано выше, а уменьшением скорости зерна. То есть предлагается "тормозить" воздушно-продуктовый слой в рабочей камере дробилки. Достигается это путем изменения конструкции бичей. В опытной установке в бичах выполнены наклонные пазы, позволяющие изменять направление движения воздушно-продуктового слоя. При этом поступательная скорость слоя в горизонтальной плоскости снижается, увеличивая тем самым скорость и количество соударений молотка и зерна.
Бичи установлены таким образом, что пазы каждого последующего бича имеют наклоны в противоположную сторону по отношению к предыдущему бичу. То есть каждый бич имеет пазы, которые являются зеркальным отражением пазов соседних ему бичей. При этом воздушно-продуктовый слой в рабочей камере дробилки, проходя по этим пазам, меняет направление своего движения и уменьшает поступательную скорость в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, что приводит к увеличению относительной скорости и количества соударений молотка и зерна. При этом происходит более мелкое дробление зерна, то есть интенсификация процесса дробления. Окружная скорость молотков исследуемой дробилки достигает 95 м/с. При использовании бичей и поворотных жалюзи увеличивается интенсивность дробления материала.
Скорость воздушно-продуктового слоя принимают по опытным данным, равным 0,4...0,5 от окружной скорости молотков [106,122,129]. Однако это довольно приближенное значение, и оно не всегда отражает действительное значение окружной скорости воздушно-продуктового слоя. А скорость этого слоя в рабочей камере оказывает значительное влияние на интенсивность процесса дробления, на качество получаемого продукта, на время пребывания материала в камере, а следовательно, и на производительность дробилки.
Определение скорости воздушно-продуктового слоя проводили с помощью строботахометра 2ТСт-32-456. Наблюдения при вспышках стробота-хометра показали, что величина скорости воздушно-продуктового слоя не одинакова в самом слое. Наибольшее ее значение ближе к рабочим граням молотков и достигает 44,6 м/с. По направлению к осям крепления молотков скорость слоя снижается. Ниже она также и у бичей, закрепленных на внутренней поверхности рабочей камеры. Бичи оказывают "тормозящий" эффект, тем самым увеличивая скорость соударений частиц измельчаемого материала и молотков, что приводит к увеличению интенсивности дробления.
Исследование также показало, что основная масса материала начинает измельчаться сразу после первых ударов молотка по зерну и при ударе зерен о неподвижный бич и внутреннюю поверхность рабочей камеры. На рисунках 4.7а и 4.76 представлены общие виды частиц измельченного зерна ржи после 1-го бича и на выходе из дробильной камеры. Как видно из рисунка 4.7а, практически все зерна измельчены уже после 1-го бича, хотя и до довольно крупных размеров. Но на выходе из дробильной камеры, как видно из рисунка 4.86, частицы имеют размеры, соответствующие зоотехническим требованиям.
На рисунках 4.8, 4.9 представлены результаты исследований по интенсивности дробления материалов в рабочей камере дробилки. Количество и размер отверстий на листах специальной бумаги дают наглядное представление о том, с какой силой и интенсивностью частицы измельчаемого материа ла ударяются о внутреннюю поверхность рабочей камеры. До 1-го бича в нижней части рабочей камеры имеется "мертвая зона", где практически не происходит измельчения материала (рисунок 4.8).
