Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1 Теоретические предпосылки измельчения материалов 8
1.1.1. Способы измельчения материалов 8
1.1.2. Классификация рабочих органов измельчающих машин 11
1.1.3. Механизм разрушения твердых материалов и зерна 15
1.2 Молотковые дробили 19
1.2.1 Классификация молотковых дробилок 20
1.2.2 Поведение зернового материала в рабочей камере дробики 29
1.2.3 Конструкции молотковых дробилок 29
1.1.4 Факторы, влияющие на эффективность работы кормодробилок 32
1.1.4.1. Технологические факторы 32
1.1.4.2 Механические факторы 39
1.1.4.3 Конструктивные факторы 41
1.5. Цель и задачи исследования 42
2. Теоретические исследования процесса измельчения и обоснование конструктивных параметров кормодробилки 44
2.1. Анализ исследования процесса измельчения 44
2.2. Исследование процесса ориентации частиц зерновой смеси 46
2.3 Определение длины полета частицы до момента вылета из зоны дробления 49
2.4. Определение среднего размера измельченных частиц 52
2.5. Определение скорости продукто-воздушного слоя в дробильной камере 54
2.6. Определение производительности кормодробилки 56
3. Программа и методика экспериментальный исследований 62
3.1. Общая методика экспериментальных исследований 62
3.2. Программа экспериментальных исследований 62
3.3. Методика определения скорости движения воздуха во входной горловине кормодробилки 63
3.4. Методика определения ориентации зерна при подаче в камеру дробления 66
3.5. Определения гранулометрического состава измельченного зерна 68
3.6. Методика определения давления воздуха, создаваемого воздухом в вихревой и дробильной камерах 69
3.7. Определение крутящего момента и мощности процесса измельчения 71
3.8. Методика определения усилия зерна на разрыв 72
4. Результаты экспериментальных исследований 75
4.1. Определение механической прочности зерна 75
4.2. Определение разрывного усилия зерна 78
4.3. Результат исследования процесса измельчения 79
4.4. Результаты экспериментальных исследования по обоснованию конструктивных и технических параметров процесса измельчения 87
5. Производственные испытания и технико-экономическое обоснование кормодробилки 89
5.1. Технико-экономическая оценка эффективности кормодробилки 89
Общие выводы 94
Список литературы 95
Приложения 110
- Классификация молотковых дробилок
- Определение производительности кормодробилки
- Результат исследования процесса измельчения
- Технико-экономическая оценка эффективности кормодробилки
Классификация молотковых дробилок
Дробилки группируют по принципу работы, конструктивным и аэродинамическим особенностям, размещению места загрузки, способу отвода измельчаемого материала. Классификация молотковых дробилок [79] представлена на рис. 1.3.
Основным рабочим органом в молотковой дробилке, осуществляющим процесс разрушения материала, является ротор с молотками, решето и дека. Применяются при измельчении зерновых продуктов безрешетные дробилки, работающие по открытому и закрытому циклам, с рециркуляцией и без нее [11,12,64-66,79,81,86].
В большинстве молотковых дробилок важную роль играет воздушный поток. С помощью воздуха измельченный материал через отверстия решета удаляется из дробильной камеры и направляется в циклон, а возвратный поток (в замкнутых системах) способствует подаче исходного материала в дробильную камеру. Обычно используется автономный вентилятор, который расположен на валу ротора или, оснащен отдельным приводом, работающий по схеме восходящего или нисходящего потока. В некоторых случаях вентилятор и ротор совмещены, в результате чего полнее используется воздушный поток, создаваемый ротором дробилки, и уменьшается металлоемкость механизма.
При работе молотковой дробилки замкнутый воздушный поток действует на всех этапах рабочего цикла: способствуя движению материала в дробильной камере; измельчению и выносу измельченного материала через отверстия решета (для решетных дробилок) в разделительную камеру или на выгрузку (для без решетных дробилок); эвакуации измельченного материала из за решетного пространства и его подаче по трубопроводу в циклон; разделению (осаждению) измельченного материала в циклоне или разделительной камере; подаче исходного материала в рабочую камеру [79,86].
Во всех конструкциях молотковых дробилок удаление измельченного материала из рабочей камеры дробилок происходит за счет воздушного потока, который создается ротором дробилки или ротором и вентилятором [86].
Основным рабочим органом дробилки является ротор с шарнирно подвешенными молотками. Шарнирное крепление молотков предотвращает возможные аварии при контакте с крупными твердыми предметами, попавшими в дробильную камеру. Существенное значение в работе дробилок имеет отношение диаметра ротора D к его длине L. В динамическом отношении являются лучшими дробилки, у которых D:L=1,5...1,7. Они имеют равноосный эллипсоид инерции, за счет чего более уравновешены в динамическом отношении. Дробилки, у которых D : L = 4... 7 менее материалоемки, но требуют балансировки ротора [79,85,86,111-113]. . На качество измельчения продукта существенно влияет конструкция рабочих органов. Молотки бывают различной формы, в зависимости от вида перерабатываемого продукта, от заданной тонкости помола. Расстановку молотков проводят таким образом, чтобы измельчаемый материал распределялся по длине камеры как можно равномернее. Расположение молотков на роторе может быть различно. Они располагаются по длине окружности ротора -либо рядами без смещения, либо по винтовой линии, но обязательно должны перекрывать всю ширину дробильной камеры. Размещение молотков на роторе по схеме сходящихся винтовых линий позволяет увеличить срок службы молотков без перестановки на 20 % и производительность дробилки на 10 %, по сравнению с шахматным расположением молотков [79]. Наиболее распространены пластинчатые молотки с двумя отверстиями - как прямоугольные, так и с вырезами, что позволяет осуществлять четырехразовую перестановку при износе одной из рабочих сторон [54,79,81,112-113].
Показатели работы дробилки зависят от конструктивных параметров ротора дробилки, физико-механических свойств измельчаемого материала, степени измельчения, показателей кинематического и динамического режимов работы, а качество и эффективность в значительной мере - от разрушающей скорости [79].
Динамическая прочность является характеристикой продукта, которая учитывает скорость прикладываемой нагрузки. Она оценивается двумя показателями: критическая скорость частицы Укр, определяемая как ее наибольшая скорость относительно рабочего органа перед ударом, при которой начинается разрушение отдельных частиц, и разрушающая скорость Ураз, определяемая как наименьшее значение средней начальной относительной скорости совокупности частиц перед ударом, после которого все они оказываются разрушенными.
Харлей М.А. [45] считает дробилки ударного действия более эффективными и отмечает их высокую производительность. Джинджихадзе СП. [50] проводя, исследование энергоемкости процесса измельчения в молотковых дробилках, определил, что при окружной скорости молотков 55 м/с на измельчение ударом расходуется только 11,8 % энергии, а остальная часть энергии затрачивается на измельчение истиранием. При увеличении скорости вращения до ПО м/с на измельчение ударом расходуется 16,9%, а на измельчение истиранием - 83,1
Эберхард Д. [120] утверждает, что V , при которой начинается дробление материала, в свою очередь зависит от конструктивных параметров измельчаемой машины.
Мельников СВ. [86] предлагает следующую формулу определения разрушающей скорости
Таким образом, с учетом скорости воздушно - зернового слоя для однократного разрушения должна быть в 1,5...2 раза выше расчетной разрушающей.
С учетом степени измельчения и многократного воздействия молотков на частицы измельчаемого материала, скорость разрушения рассчитывают по формуле
Из формулы (1.11) видно, что разброс при расчете производительности дробилки колеблется в достаточно широком диапазоне, следствием этого может явиться недогрузка или чрезмерная перегрузка дробилки. Выбранная с таким допущением производительность влияет, согласно формуле (1.12) на удельную энергоемкость процесса дробления и качество полученного продукта.
Удельная энергоемкость рабочего процесса дробления с учетом степени измельчения рассчитывается по формуле
Формула (1.12) содержит в знаменателе величину производительности дробилки, расчет которой носит ориентировочный характер, что ставит под сомнение достоверность полученного значения удельной энергоемкости.
При необходимости расчет энергоемкости самого процесса измельчения, т.е. без учета Nxx, Na и МвеНт, проводится по формуле
Определение производительности кормодробилки
Эффективность работы дробилок определяется степенью измельчения компонента, производительностью и удельными расходами электроэнергии на 1 т. Важные факторы, влияющие на технологические показатели работы дробилки, - это окружная скорость молотков, их форма, размер и износостойкость, величина зазора между верхней кромкой молотков и внутренней ситовой поверхностью, размер и форма отверстий сита, схема расположения молотков между дисками ротора и их число.
Большое значение в повышении эффективности работы молотковых дробилок имеет правильный выбор окружной скорости молотков. Чем выше скорость рабочего края молотков при наиболее правильном установленном зазоре между верхней кромкой и ситовой поверхностью, тем скорее происходит процесс дробления и измельчения частиц в рабочей зоне, так как частицы чаще подвергаются удару молотков. Чем больше зазор между верхней кромкой молотка и ситам, тем слой в этой зоне толще, воздействие молотка на частицы этого слоя уменьшаются и качество измельчения снижается. Очень важно чтобы сырью поступало в дробилку равномерно, так как от этого зависит от этого зависит не только бесперебойная работа машины но и одинаковая степень износа молотков, сит, дек и установленная для этого данного вида сырья производительность машины.
На получение частиц определенной крупности влияют и физико-механические свойства зерна. Чем больше сопротивляемость исходного сырья дроблению или измельчению, тем выше удельный расход энергии и ниже производительность дробилки. Если удельный расход энергии на измельчение овса, имеющего наибольшую пленчатость и вязкую структуру ядра, принять за 100 %, то при прочих равных условиях этот показатель при измельчении ячменя составит 80 %, а кукурузы 57 %
Производительность дробилки при измельчении зерна пленчатых культур на 30...35 % меньше, чем при измельчении зерна беспленчатых культур. При измельчении смеси, состоящей из нескольких зерновых культур, производительность дробилки выше, чем при измельчении одной культуры, например овса или ячменя. Крупность частиц после измельчения зависит также и от структурно-механических свойств зерна наиболее тонко при прочих равных условиях измельчается зерно кукурузы. Опыт эксплуатация молотковых дробилок подтверждает следующее:
- с увеличением влажности компонентов (свыше 15,0... 15,5 %) производительность дробилки снижается и возрастает удельный расход электроэнергии;
- с увеличением отверстий сита производительность дробилки повышается, а степень измельчения компонентов уменьшается;
- чешуйчатые сита по сравнению с ситами имеющими круглые отверстия (при одинаковом живом сечении единиц просеивающей площади), обеспечивают большую производительность, но наблюдается и повышенное содержание в измельченном компоненте крупных частиц;
- с уменьшением радиального зазора между окружностью молоткового ротора и сигам возрастает количество мелкодисперсного компонента, уменьшается производительность дробилки и одновременно возрастает удельный расход электроэнергии.[11].
Анализ возможных вариантов оптимизации процесса измельчения зернового сырья при производстве комбикормов показал, что наиболее разумно для этих целей можно использовать производительность дробилки при минимальных затратах энергии.
Из возможных вариантов расчета производительности молотковых дробилок выбрали методику, предложенную специалистами фирмы Ван Аар-сен (Нидерланды). Расчет производительности вели по эмпирической формуле (полученной фирмой), после некоторого преобразования можно представить в следующем виде
Для некоторых видов сырья, которые входят в смесь, приведенный коэффициент размолоспособности рассчитывается как средневзвешенная величина.
Для проверки эмпирической формулы были проведены исследования по определению фактической производительности молотковых дробилок КДУ-2,0 в зависимости от диаметра отверстий решета и вида зерна или зерновой смеси.
Как видно из рис. 2.5, расчетная линейная зависимость изменения производительности дробилок от диаметра отверстий решета. Особенно близки расчетные и эмпирические зависимости в диапазоне изменения диаметра отверстий сита от 2,0 до 5,0 мм.
Количество возвращаемой на повторное измельчение крупной фракции измельченного сырья будет зависеть от размера отверстий решета молотковой дробилки, вида зернового сырья и требований к размерам измельченных частиц сырья.
Наиболее трудноизмельчаемой (кроме овса) зерновой продукцией является ячмень. Решив вопрос оптимизации измельчения ячменя при его подготовке для ввода в комбикорма, можно считать, что эти условия также будут близки к оптимальным и для других видов сырья, тем более для зерновых смесей.
Были проведены исследования по изменению количества сходовых фракций измельченного на молотковой дробилке КДУ-2,0 ячменя в зависимости от размера отверстий решета дробилки.
Результат исследования процесса измельчения
Исследования по определению необходимого количества ударов для разрушения до требуемой крупности частиц ячменя, пшеницы и кукурузы проводились на экспериментальной установке. Исследования влияния скорости удара, угла атаки (удара о плоскость деки) и крупности помола на интенсивность процесса измельчения этих зерновых культур подтвердили их значимость. Был разработан четырехфакторный план эксперимента на основе симметричного некомпозиционного плана Бокса-Бенкина. Факторы в этом случае варьируют на трех уровнях.
После обработки полученных данных с помощью ЭВМ получили эмпирические зависимости для определения числа ударов (V)
При производстве комбикормов на промышленных предприятиях используют молотковые дробилки, окружная скорость ротора которых близка друг к другу. Поэтому, этот фактор можно принять постоянным. Угол заострения (встречи частиц зерна с поверхностью деки) может измениться в диапазоне от 0 до 90 градусов. Для проведения дальнейших исследований применительно к молотковым дробилкам примем поправочный коэффициент, который учитывал бы условия измельчения зерна в молотковой дробилке и в экспериментальной установке. Величину такого поправочного коэффициента приняли равной 0,7. Тогда угол атаки можно не учитывать.
Скорость удара зерна о деку в экспериментальной установке, исходя из вышеуказанного, должна быть 65-70 м/с. В результате этого перешли на двухфакторный эксперимент для исследования влияния крупности помола зерновых культур и их влажности на необходимое число ударов.
После обработки полученных данных с помощью ЭВМ и упрощения эмпирических зависимостей получим
При измельчении зерна в молотковых дробилках и контроле крупности помола на классификаторе примем, что зерно будет подвергаться минимальному количеству ударов в рабочей камере дробилки — равному четырем. Тогда для измельчения ячменя (наиболее трудно измельчаемого вида зернового сырья) в зависимости от крупности помола будет необходимо следующее количество циклов обработки его на дробилке: до крупности частиц проходом 3,0 мм - 2-3 цикла; до крупности частиц проходом 2,0 мм -2-4 цикла.
Исследование процесса измельчения за счет удара потока зерна о поверхность деки производили по следующей методике.
Навеску исходного продукта пропускали через установку, при этом происходил один удар зернового потока о стальную деку. Отбирали от полученного продукта частицы, удовлетворяющие требованию крупности готового продукта. Недоизмельченную (крупную) фракцию продукта вновь пропускали через установку и отбирали от нее частицы готового продукта, — и так до полного измельчения всех крупных частиц. Таким образом, на экспериментальной установке получали готовый продукт, измельченный при самых благоприятных условиях, и только за счет удара частиц продукта о поверхность деки.
Было исследовано изменение гранулометрического состава измельченного на экспериментальной установке зернового сырья в зависимости от крупности помола, скорости и угла удара частиц продукта о деку. Крупность помола оказывает существенное влияние на гранулометрический состав измельченного зерна, однако характер изменения среднего размера частиц разных зерновых культур был близок друг к другу. Количество тон-коизмельченных частиц возрастает от 1,1 до 9.0% при уменьшении тонкости помола (рис. 4.1).
При изменении угла удара зернового потока по поверхности деки от 30 до 90 градусов (рис. 4.2) средний размер частиц практически оставался постоянным для одноименных культур. При этом скорость удара ячменя была 65 м/с, пшеницы — 40 м/с, кукурузы - 30 м/с. При изменении скорости удара пшеницы и кукурузы от 20 до 70 м/с средний размер частиц практически не изменился (рис. 4.3).
Для исследования гранулометрического состава измельченного зернового сырья в молотковых дробилках были проведены в производственных условиях опыты на дробилке КДУ - 2,0. Исследования показали, что увеличение диаметра отверстий решета в дробилке приводит к возрастанию крупности частиц в измельченном продукте, уменьшается количество мелких частиц продукта.
Анализируя количество крупных частиц более 2,0 и более 3,0 мм, можно отметить, что возможно получение измельченного продукта, удовлетворяющего требованиям мелкого помола для раннего молодняка крупного рогатого скота (КРС) и свиней, подсосных свиноматок, пушных зверей, при установке в молотковых дробилках решета с диаметром отверстий 3,0; 3,5; 4,0 мм. Для получения комбикормов среднего размола (комбикорма для молодняка, уток, кур, индеек и откорма КРС в возрасте от 76 до 100 дней) можно устанавливать решета в дробилке диаметром отверстий 4,0; 5,0 мм. При крупном измельчении зернового сырья дли телят, молодняка КРС, молодняка кур, бройлеров, уток, гусей, мясного и беконного откорма свиней, молодняка овец можно устанавливать решета в дробилке с диаметром отверстий 6,0 мм.
Средний размер частиц измельченного продукта возрастает с увеличением диаметра отверстий решета дробилки, а удельный расход электроэнергии уменьшается. Сравнение гранулометрического состава измельченного ячменя в экспериментальной установке до крупности частиц не более 1,0 и 3,0 мм с гранулометрическим составом измельченного до аналогичной крупности ячменя на дробилке КДУ-2,0 (рис. 4.4) показало, что в молотковой дробилке происходит значительное переизмельчение частиц продукта. Выравненность измельченных частиц ячменя в экспериментальной установке выше, чем в дробилке. Количество образуемых тонкоизмельченных частиц (рис. 4.5) при измельчении продукта в дробилках в несколько раз больше, чем при дроблении зерна в идеальных условиях (прямой удар, отбор измельченного продукта после каждого удара) в экспериментальной установке (рис.4.2).
К улучшению процесса измельчения сырья при производстве комбикормов привела установка в молотковой дробилке КДУ-2,0 комбинированных решёт, состоящая из двух или трех частей решёт с разным размером отверстий. В данном случае, в начале процесса просеивания частиц измельченного продукта, после его разрушения о деку дробилки и когда еще скорость движения кольцевого продукта невелика, установили решето с меньшим размером отверстий. При дальнейшем возрастании скорости движения продукта по решету дробилки размер отверстий решета увеличивали.
Требования стандартов к крупности частиц смеси для значительного количества комбикормов можно условно свести в две группы:
- проход частиц комбикорма через решето с размером отверстий 2 мм;
- проход частиц комбикорма через решето с размером отверстий 3 мм.
Технико-экономическая оценка эффективности кормодробилки
Экономическая эффективность устанавливалась сравнением затрат денежных средств при эксплуатации базовой и предлагаемой кормодробилки за базовую принималась универсальная кормодробилка КДУ - 2.
Годовой экономический эффект от применения предлагаемой кормодробилки, согласно существующей методики[ 107],определяется по формуле где Зі и З2- приведенные затраты на базовую и предлагаемую кормод-робилку, руб
Потребное количество предлагаемых установок в объеме Вобщ=100 тонн составляет В2 50 Прямые эксплутационные затраты на годовой объем рассчитывали по формуле:
где СА-годовые амортизационные отчисления на капитальный ремонт и реновацию кормо дробилки, руб.;
Сто - годовые отчисления на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб.;
Сзп- заработная плата с начислениями, руб.;
СЭн- стоимость электроэнергии, руб.;
Амортизационные отчисления кормодробилки рассчитывали где Р2- нормы амортизационных отчислений на кормо дробилку в процентах от балансовых стоимостей: Р=18% [70] ТГу- годовая загрузка установки в часах, Тгу=1200 час В2- годовой объем переработки молока, Вг ЮОООл.
Удельные капитальные затраты на производительные фонды: где Б!м-балансовая стоимость кормодробилки, руб.
Сопутствующие капитальные вложения принимаем равным (К НК ) в виду того, что технология работы осталась прежней.
Годовая экономия на одну предлагаемую кормодробилку составит 3V= 2783 руб.
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений рассчитан по формуле: где t0K-cpoK окупаемости дополнительных капитальных вложений, лет; Кдоп- дополнительные капитальные вложения в новую кормо дробилку, у.е. Необходимые справочные данные и результаты расчетов сведены в таблицу 5,2.
Испытания и производственную проверку кормодробилки проводили в колхозе «Октябрь» Матвеевского и АО «Колос» Шарлыкского района.
Установлено, что предлагаемая кормодробилка по основным показателем, характеризующим качество работы, наиболее приемлема в хозяйствах с небольшим поголовьем.
Определение гранулометрического состава измельченной зерновой смеси показало снижение пылевидных частиц до 18% по сравнению с применяемой кормодробилкой КДУ - 2,0.
Родовой экономический эффект от внедрения составляет 2783 руб. Расчет произведен в ценах января 2001 г.
