Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы по измельчению фуражного зерна и задачи исследований 15
1.1.0 необходимости измельчения фуражного зерна при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц 15
1.2. Основные способы и технические средства измельчения зернового материала, применяемые в сельском хозяйстве 29
1.2.1. Жерновые мельницы 34
1.2.2. Вальцовые мельницы 36
1.2.3. Плющильные станки 38
1.2.4. Центробежные дробилки 39
1.2.5. Молотковые дробилки
1.3. Анализ результатов научных исследований физико-механических свойств фуражного зерна 44
1.4. Состояние теорий по измельчению материалов и фуражного зерна... 49
1.5. Преимущества многоступенчатого измельчения фуражного зерна и тенденции развития измельчающего оборудования 56
1.6. Выводы и задачи исследования 65
Глава 2. Теоретические предпосылки совершенствования процесса многоступенчатых измельчителей фуражного зерна 68
2.1. Факторы и параметры оптимизации процесса многоступенчатого измельчения фуражного зерна 68
2.2. Технологический процесс многоступенчатого измельчения фуражного зерна в виде структурного блока 70
2.3. Обоснование технологической схемы многоступенчатого измельчителя фуражного зерна 71
2.4. Теоретические основы оптимизации фракционного состава зерновой дерти, образуемой при измельчении фуражного зерна в многоступенчатом измельчителе 74
2.5. Математическая модель разрушения фуражного зерна многократным воздействием на зерновку способом «скалывание-срез» с учетом пауз механического воздействия 83
2.6. Теоретические исследования движения зерновки по рабочим поверхностям многоступенчатого измельчителя 87
2.6.1. Уравнение движения зерновки по боковой поверхности измельчающего элемента ротора-диска 88
2.6.2. Уравнение движения зерновки в пазах измельчающих элементов ротора-диска и статора 92
2.6.3. Определение угла падения частицы зерновой дерти на поверхность решетного сепаратора 101
2.6.4. Уравнение движения зерновки по решетной поверхности сепаратора 104
2.7. Исследования процесса сепарации измельченной зерновой дерти через решетные поверхности сепараторов 108
2.7.1. Математическая модель процесса сепарации зерновой дерти через сменные решетные сепараторы 108
2.7.2. Работа решетной поверхности сепаратора при разделении зерновой дерти на фракции без использования вертикального воздушного потока 115
2.7.3. Работа решетной поверхности сепаратора при разделении зерновой дерти на фракции с использованием вертикального воздушного потока 117
2.8. Энергетическая оценка работы многоступенчатого измельчителя при измельчении фуражного зерна 122
2.9. Выводы по главе 127
Глава 3. Обоснование основных параметров многоступенчатого из мельчителя фуражного зерна 129
3.1. Обоснование измельчающих элементов, обеспечивающих измельчение зерновки способом «скалывание-срез» 129
3.2. Определение частоты вращения ротора-диска, при которой будет соблюдено устойчивое движение зерновки в зону измельчения 133
3.3. Определение необходимого количества неподвижных измельчающих элементов статора и подвижных измельчающих элементов ротора-диска и ширины паза между ними 135
3.4. Выводы по главе 139
Глава 4. Методические основы экспериментальных исследований конструктивно-режимных и технологических параметров многоступенчатого измельчителя фуражного зерна 140
4.1. Программа экспериментальных исследований 140
4.2. Исследуемый зерновой материал и экспериментальная установка многоступенчатого измельчителя 141
4.3. Частные методики проведения экспериментов при исследовании многоступенчатого измельчителя
4.3.1. Порядок проведения опытов 152
4.3.2. Определение производительности экспериментального многоступенчатого измельчителя 153
4.3.3. Определение характеристик измельченного в многоступенчатом измельчителе фуражного зерна 155
4.3.4. Определение фракционного состава продуктов помола при многоступенчатом измельчении фуражного зерна 156
4.3.5. Определение качественного состава получаемого продукта при измельчении в многоступенчатом измельчителе 158
4.3.6. Определение скорости воздушного потока в зарешетном пространстве многоступенчатого измельчителя 159
4.3.7. Определение полезной мощности на измельчение фуражного зерна в многоступенчатом измельчителе 160
4.4. Исследование процесса измельчения зерновки способом «скалывание-срез» при статическом нагружении 161
4.5. Исследование процесса измельчения зерновки способом «скалывание-срез» при динамическом нагружении 164
4.6. Системный подход к экспериментальным исследованиям многоступенчатого измельчителя фуражного зерна 166
4.7. Выводы по главе 177
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований многосту пенчатого измельчителя фуражного зерна 178
5.1. Результаты исследования процесса разрушения фуражного зерна многократным воздействием на зерновку способом «скалывание-срез» с учетом пауз механического воздействия 178
5.2. Результаты качественной оценки получаемого продукта при измельчении в многоступенчатом измельчителе 182
5.3. Результаты влияния угла заточки измельчающих элементов на усилие резания зерновки при статическом нагружении 187
5.4. Результаты влияния влажности фуражного зерна на усилие резания 189
5.5. Результаты исследования процесса измельчения зерновки способом «скалывание-срез» при динамическом нагружении 192
5.6. Результаты экспериментов по влиянию воздушного потока на эффективность работы многоступенчатого измельчителя 194
5.7. Результаты обоснования конструктивно-режимных и технологических параметров многоступенчатого измельчителя 197
5.7.1. Результаты обоснования оптимальных режимов работы и основных параметров многоступенчатого измельчителя по удельной энергоемкости процесса измельчения фуражного зерна 197
5.7.2. Результаты обоснования оптимальных режимов работы и основных параметров многоступенчатого измельчителя по степени измельчения фуражного зерна 209
5.8. Выводы по главе 219
Глава 6. Производственные испытания, экономическая эффективность от внедрения многоступенчатых измельчителей фуражного зерна 221
6.1. Результаты производственных испытаний многоступенчатых измельчителей фуражного зерна 221
6.2. Экономическая эффективность использования многоступенчатого измельчителя с внутренней сепарацией в сельскохозяйственном производстве
6.2.1. Эффективность использования многоступенчатого измельчителя с внутренней сепарацией по критерию энергетических затрат 230
6.2.2. Экономическая эффективность использования многоступенчатого измельчителя с внутренней сепарацией в стоимостной форме 233
6.3. Выводы по главе 241
Общие выводы 242
Библиографический список
- Молотковые дробилки
- Теоретические основы оптимизации фракционного состава зерновой дерти, образуемой при измельчении фуражного зерна в многоступенчатом измельчителе
- Определение частоты вращения ротора-диска, при которой будет соблюдено устойчивое движение зерновки в зону измельчения
- Определение характеристик измельченного в многоступенчатом измельчителе фуражного зерна
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основным направлением развития отраслей животноводства в ближайшие годы является внедрение энергоресурсосберегающих технологий на основе достижения современной науки и передового опыта.
Подъем животноводства будет обеспечиваться за счет повышения продуктивности скота и птицы, на основе создания и укрепления прочной кормовой базы, совершенствования технических средств механизации процессов производства и переработки кормов.
Современные исследования в области кормления сельскохозяйственных животных и птиц показывают, что следует не только обеспечить необходимый модуль помола фуражного зерна, но и добиться выравненное частиц по размерам и необходимого распределения фракционного состава измельченного продукта.
Основными машинами, применяемыми в сельскохозяйственном производстве и других отраслях народного хозяйства для измельчения зернового материала, являются молотковые дробилки, но они имеют ряд существенных недостатков: а) большие удельные затраты энергии на измельчение - от 10 до 15 кВт-ч на 1 т измельченного продукта; б) значительная удельная металлоемкость конструкций - от 300 до 650 кг/т и выше; в) неравномерный фракционный состав измельченного продукта с большим содержанием пылевидной фракции - до 30% при тонком измельчении и до 20% недоизмельченной фракции при грубом измельчении, а содержание целых зерен в готовой дерти -более 1%.
Проблемная ситуация в области измельчения фуражного зерна на корм скоту и птице состоит в том, что, с одной стороны, постоянно повышаются требования к качеству измельчения зернофуража, снижению расхода энергии, металла, а, с другой стороны, имеющиеся знания, методы и технические средства не могут в полной мере обеспечить дальнейший прогресс в данной отрасли.
Теоретические исследования по данной проблеме представлены множеством подходов, описаний, гипотез, теорий и т.д. Чаще всего каждый из этих подходов имеет право на существование применительно к конкретной машине и измельчаемому материалу. Однако цельного подхода, позволяющего выработать новые концепции процесса измельчения, нет.
В связи с вышеизложенным, исключительно большую актуальность приобретают вопросы обобщения имеющихся исследовательских и конструкторских работ по созданию энергоресурсосберегающих технологий в кормопри-готовлении, в том числе разработки менее энергоемкого способа «скалывание-срез» со своевременным выводом измельченного продукта из зоны измельчения и технических средств нового поколения.
Научная гипотеза. Эффективность процесса измельчения фуражного зерна в многоступенчатых измельчителях может быть повышена при совмещении процесса разрушения зерновки способом «скалывание-срез» и сепарации зерновой дерти с получением синергетического эффекта.
Цель исследований. Разработка технологий и технических средств эффективного процесса измельчения фуражного зерна с использованием многоступенчатого измельчения и сепарации зерновой дерти через сменные решета.
Объект исследований. Технологический процесс многоступенчатого измельчения фуражного зерна с внутренней сепарацией продукта измельчения.
Предмет исследований. Закономерности функционирования многоступенчатых измельчителей, характеризующие процессы разрушения фуражного зерна способом «скалывание-срез» и сепарации зерновой дерти через сменные решета.
Методы исследований. Общей методологической основой исследований являлись системный подход, методы математической статистики, теории вероятности и случайных процессов, регрессионного анализа. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений, законов и методов классической механики, математики, математического моделирования. При экспериментальных исследованиях применялись методы планирования многофакторного эксперимента, корреляционного анализа. При обработке результатов исследования использовались программы STATISTICA, MATHCAD. Достоверность положений работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также показателями производственных испытаний.
Научная новизна исследований.
-
Обоснован новый класс измельчителей фуражного зерна с использованием менее энергоемкого способа измельчения «скалывание-срез» с одновременным сепарированием зерновой дерти через сменные решетные сепараторы, обеспечивающих снижение энергозатрат на измельчение и получение готового продукта высокого качества, удовлетворяющего зоотехническим требованиям для различных видов, групп, возраста животных и птиц.
-
Установлены новые закономерности взаимодействия зерен фуражных культур с измельчающими и сепарирующими рабочими органами многоступенчатого измельчителя, позволяющие влиять на фракционный состав получаемого продукта.
-
Введен критерий оптимальности фракционного состава зерновой дерти, содержащий потери от переизмельчения и недоизмельчения фуражного зерна в измельчителях, а также дополнительные затраты, обусловленные применением многоступенчатого процесса измельчения.
-
Получена математическая модель вероятности разрушения зерен фуражных культур при многократном воздействии на зерновку способом «ска-
лывание-срез», позволяющая прогнозировать фракционный состав получаемого продукта при многоступенчатом измельчении, с выбором интервалов кинематических и технологических режимов работы измельчителя.
-
Разработана математическая модель процесса внутренней сепарации измельченного продукта, учитывающая действие воздушного потока генерируемого рабочими органами измельчителя.
-
Обоснованы оптимальные конструктивно-режимные и технологические параметры многоступенчатого измельчителя с внутренней сепарацией зерновой дерти.
Новизна технических решений подтверждена 8 авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.
Практическая значимость. Обобщена и развита теория и практика разрушения зерен фуражных культур с использованием способа измельчения «скалывание-срез». Использование многоступенчатого измельчения позволяет повысить эффективность процесса измельчения зернового материала путем применения менее энергоемкого способа измельчения «скалывание-срез» и своевременного вывода из зоны измельчения зерновой дерти заданного фракционного состава и тем самым осуществить избранное и прогнозируемое измельчение с получением продукта зоотехнически требуемого качества для различных видов, групп, возраста животных и птиц. Результаты исследований используются проектными организациями при разработке измельчающих машин, образовательными учреждениями в учебном процессе.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты научно-исследовательской работы рекомендованы Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Бурятия и Забайкальского края к внедрению на предприятиях АПК. Разработанная техническая документация на изготовление многоступенчатого измельчителя фуражного зерна принята к внедрению Научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северного Зауралья и его ОПКБ. Челябинский межотраслевой территориальный ЦНТИ заложил в свой фонд комплект технической документации «Центробежная многоступенчатая дробилка для измельчения фуражного зерна на корм», на который получены запросы от заинтересованных агропредприятий.
Результаты научной работы используются в учебном процессе агроинже-нерных факультетов вузов Минсельхоза России. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала.
Диссертационный материал составил основу для написания двух монографий: 1. «Обоснование технологического процесса измельчения фуражного зерна в трехступенчатом измельчителе» (Изд-во Бурятской ГСХА, 2006);
2. «Механико-технологические основы создания многостадийных измельчителей фуражного зерна» (Изд-во Бурятской ГСХА, 2010).
Образцы многоступенчатых измельчителей прошли производственную проверку на предприятиях АПК Челябинской области, Республики Бурятия и Забайкальского края.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование многоступенчатого процесса измельчения и числа ступеней измельчения;
критерий оптимальности фракционного состава измельченной зерновой дерти, содержащий потери от переизмельчения и недоизмельчения фуражного зерна, а также дополнительные затраты, обусловленные применением многоступенчатого процесса измельчения;
математические модели процессов: движения зерновки в пазах измельчающих элементов ротора-диска и статора; разрушения фуражного зерна многократным воздействием на зерновку способом «скалывание-срез» с учетом пауз механического воздействия; сепарации измельченного фуражного зерна с учетом воздействия воздушного потока;
экспериментальные закономерности, характеризующие технологический процесс измельчителя, позволившие обосновать его конструктивно-режимные и технологические параметры;
экспериментальные закономерности, позволившие установить степень влияния воздушного потока на процесс сепарации продуктов измельчения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на следующих конференциях:
международный семинар «Проблемы технологического образования в Бурятии и Монголии» (Улан-Удэ, БГУ, 2007);
международная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (Новосибирск, ГНУ СибИМЭ, 2008);
-III международная научно-практическая конференция «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, БГСХА, 2008);
- III международная научно-практическая конференция «Аграрная наука
- сельскому хозяйству» (Барнаул, АГАУ, 2008);
- международная конференция «ENGINEERING PROBLEMS IN
AGRICULTURE AND INDUSTRY» (Монголия, Улан-Батор, 2010);
международная конференция «Восьмая Китайско-Российско-Монгольская научно-техническая выставка - выставка инновационных технологий в г. Маньчжурия» (КНР, Маньчжурия, 2011);
на коллегиях Министерств сельского хозяйства и продовольствия За-
байкальского края (2011) и Республики Бурятия (2013);
- ежегодные научно-технические конференции Челябинского ГАУ (ЧИ-МЭСХ - 1980-1984, 1986), Бурятской ГСХА (1985-1988, 1992-1998, 2001-2013), Свердловского СХИ (1984), ВСГТУ (2007-2011), Бурятский ГУ (2007); Алтайский ГАУ (2008); Омский ГАУ (2013); Новосибирский ГАУ (2013).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 63 научных работах, в том числе 12 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 246 наименований (в т.ч. 7 на иностранных языках) и приложений. Общий объем работы составляет 316 страниц, в том числе 23 таблицы, 98 рисунков и 8 приложений на 39 страницах.
Молотковые дробилки
Полезная продуктивность животных и птиц, т.е. количество и качество молока, мяса, яиц, шерсти и шкур во многом зависит от кормления. Корма являются средством обеспечения животных и птиц энергией и питательными веществами, необходимыми для физиологических процессов и производства продукции животноводства и птицеводства.
«Существеннейшей связью животного организма с окружающей природой является связь через известные вещества, которые должны постоянно поступать в состав данного организма, т. е. связь через пищу» [133].
Наукой доказано [128], что питательные вещества содержатся в кормах большей частью в виде высокомолекулярной формы и поэтому не могут в первоначальном виде проходить через стенки клеток пищеварительного тракта. Эти вещества должны предварительно расщепиться на простые составные части, перейти в раствор и затем уже всосаться. Дело в том, что питательные вещества усваиваются организмом животного только в растворенном виде, а скорость обработки частиц корма желудочным соком пропорциональна площади их поверхности. Поэтому перед скармливанием корма, как правило, измельчают, что повышает поедаемость их животными и способствует лучшему воздействию на них пищеварительных соков, что увеличивает питательность и усвояемость корма животными и птицей.
Установлено, что на приготовление кормов в животноводстве расходуется 50...70 % электрической энергии. Основной из важнейших технологических операций в приготовлении кормов является измельчение фуражного зерна. Фуражное зерно в общей структуре расходуемых кормов составляет ЗО...З5 %, в свиноводстве его удельный вес достигает 70 %, в птицеводстве он доведен до 80...90 %, а также оно является основным источником кормового белка в кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, в котором содержится до 50% протеина [194]. По зоотехническим нормам в кормовых рационах в среднем на 1 кормовую единицу должно приходиться 105...ПО г переваримого протеина, при его недостатке примерно в 19% от потребности недобор продукции составляет 30...35%, а себестоимость и расход кормов возрастает в 1,5 раза [194].
Поэтому необходимо добиться использования фуражного зерна на корм скоту и птице только в переработанном виде [196].
Измельчение — самый распространенный и совершенно обязательный способ подготовки зерновых кормов. При размоле, дроблении и плющении разрушается твердая оболочка зерна, облегчается разжевывание, питательные вещества становятся более доступными пищеварительным соком, так как измельченные частицы обладают высокоразвитой поверхностью. Это способствует ускорению процессов пищеварения и повышению усвояемости питательных веществ, и они могут быть использованы наиболее полно, без потерь.
Многие исследователи [27, 28, 65, 66, 68, 95, 126, 128, 129, 146,179, 193] посвятили свои работы изучению вопроса влияния измельченного и не-измельченного зернового материала на переваримость, усвояемость и по-едаемость корма животными и птицей.
В рационах кормления крупного рогатого скота концентрированные корма используются в составе кормосмесей. По физиологии, крупный рогатый скот имеет двухкамерный желудок, поэтому критерием в оценке эффективности использования питательных веществ корма (в том числе зерна) является время задержки его в желудочно-кишечном тракте. Чем крупнее частицы зерна, тем дольше они задерживаются в рубце, тем длительнее осуществляется на них воздействие рубцовых соков и микрофлоры. Тонкий помол (мука) задерживается в рубце 2.. .4 часа, средний и крупный помол - 6.. .9 часов [72]. Длительное скармливание кормов тонкого помола вызывает прекращение процесса «жвачки», рубец теряет свои функции, а основой пищеварительного органа становится кишечник. Поэтому питательные вещества, содержащиеся в корме, плохо и не полностью усваиваются организмом, что в конечном итоге влияет на продуктивность животного.
Опыты над телятами, проведенные И. М. Захарченко [66], показали, что скармливание телятам в возрасте от 1 до 6 месяцев комбикорма с модулем дисперсности от 0,7 до 0,9 мм, обеспечило их интенсивный рост - среднесуточные привесы составили 931 г к шестимесячному возрасту. Живая масса телят составила в среднем 205 кг. При кормлении телят комбикормами с модулем дисперсности от 0,4 до 0,6 мм их среднесуточный привес составил 672 г, т.е. был на 17 % ниже. К шестимесячному возрасту живая масса таких телят составила 176,9 кг - на 16,8 % ниже.
Поэтому производство и применение для выращивания телят комбикормов очень мелкого помола с величиной частиц 0,4...0,6 мм невыгодно.
Свиньи по физиологии имеют однокамерный желудок, и они обычно проглатывают пищу без пережевывания. В этом случае опасность неполного использования концентрированного корма особенно велика.
Опыты, проведенные И.М. Захарченко [65] над свиньями, показали, что уменьшение среднего размера частиц ячменя с 1,74 до 0,91 мм повысило переваримость органических веществ на 3 %; суточные привесы возросли с 638 до 759 г, или на 16,1 %; затраты кормов на 1 кг привеса снизились с 5,5 до 5,0 кормовых единиц, или на 10 %. Также он провел биологическую оценку качества комбикормов с разной дисперсностью и установил, что хороший эффект дает скармливание комбикормов со следующей средней величиной частиц: поросятам-сосунам - 0,7...0,8 мм; поросятам-отъемышам - 1,2... 1,6 мм. В работе рекомендовано принять на комбикормовых заводах выработку комбикормов с указанными выше величинами дисперсности, а комбикорма со средней степенью размола 0,3...0,5 мм являются худшего качества. Их использование снижает эффективность питания свиней. Скармливание комбикормов очень мелкого размола поросятам-сосункам, поросятам-отъемышам задерживает их рост на 15 суток, затраты кормов повышаются на 12%.
Влияние степени измельчения зерна на суточные привесы откармливаемых свиней приведено в таблице 1.1 по данным [27]. Таблица 1.1 - Эффективность кормления свиней зерновыми кормами разной тонкости помола
Теоретические основы оптимизации фракционного состава зерновой дерти, образуемой при измельчении фуражного зерна в многоступенчатом измельчителе
Заметное влияние на развитие теории и экспериментальной практики при исследовании процесса измельчения зернового материала в молотковых дробилках оказали работы академиков В.П. Горячкина, В.И. Сыроватка, профессоров СВ. Мельникова, В.А. Елисеева и др.
Рассмотрение опубликованных работ показало, что изучением молотковых дробилок занималось большое количество исследователей [6, 10, 17, 56, 71, 107, 108, ПО, 111, 164, 170, 171, 174].
Из всего многообразия предложенных конструкций молотковых дробилок, используемых на животноводческих фермах и комплексах, для измельчения концентрированных кормов широко применяются молотковые дробилки с замкнутым воздушным циклом типа ДКУ, КДУ, К ДМ, ДБ.
Зерновая дробилка КДМ-3,0 предназначена для измельчения фуражного зерна на корм скоту и птице и устанавливается в поточных технологических линиях кормоцехов на животноводческих фермах и комплексах [106]. Зерновая дробилка КДМ-3,0 является модификацией универсальной дробилки КДУ-2,0. Отличается от нее тем, что не имеет измельчающего аппарата, питающего и подпрессовывающих транспортеров для измельчения грубых и сочных кормов. Схема дробилки фуражного зерна КДМ-3,0 представлена на рисунке 1.10.
Кормодробилка состоит из следующих основных узлов и деталей: корпуса 1, отводящего патрубка 2, решета 3, вентилятора 4, шлюзового затвора 5, циклона 6, трубопровода 7, фильтра 8, бункера 9, дробильного барабана 10, деки 11.
Кормодробилка имеет производительность до 3 т/ч, мощность привода ротора 28 кВт, частоту вращения ротора 2725 мин" , удельную металлоемкость 333 кг/т.
Недостатками данной конструкции дробилки является чрезмерное измельчение исходного продукта с большим содержанием мучнистой фракции и большая энергоемкость этого процесса. Эти недостатки обусловлены тем, что внутри дробильной камеры молотковым барабаном создаются круговые воздушные потоки, вызывающие скольжение продуктово-воздушного слоя по решету и тем самым ограничивающие его пропускную способность.
Основным рабочим органом всех молотковых дробилок является молотковый барабан (рисунок 1.11), состоящий из шести дисков 6, закрепленных на шпонке 10 и зафиксированных распорными втулками 9. Через отверстия в периферийной части дисков проходят шесть пальцев 3, зашплинтованных в средней части. На пальцах шарнирно подвешены пакеты молотков 7 (по 15 штук в каждом пакете). Строго заданное расстояние между молотками фиксируется распорными втулками 8. В верхней и нижней части корпуса 4 установлена дека 5. С торцов корпуса установлены боковины 2, в которых на подшипниках устанавливается главный вал 11, привод которого осуществляется через шкив 1 [104].
Недостатком данного молоткового барабана является динамическая неуравновешенность при неравномерном износе молотков, что приводит к быстрому выходу подшипников главного вала, а также операция по замене молотков при износе имеет большую трудоемкость.
Для повышения эффективности процесса измельчения фуражного зерна в молотковых дробилках, нами было получено А. с. № 948429 СССР «Молотковая дробилка» [10]. Техническое решение - за счет установленных до 44 полнительных тяг, которые соединяют пакеты молотков в единое целое, увеличивается импульс удара молотков, что значительно повышает эффективность процесса измельчения фуражного зерна.
Для снижения энергоемкости процесса измельчения фуражного зерна в молотковых дробилках нами получен патент № 2478008 РФ «Монолитный молоток универсального измельчителя кормов» [140]. Техническое решение - за счет увеличения массы монолитного молотка и конструктивного выполнения режущих кромок на ударной поверхности молотка используется менее энергоемкий способ «скалывание-срез», что значительно снижает энергозатраты на измельчение кормов.
Таким образом, по данному параграфу можно сделать следующие выводы: - в широко распространенных в народном хозяйстве измельчителях зернового материала не используется в чистом виде такой энергосберегающий способ измельчения как способ «скалывание-срез»; - в рассматриваемых конструкциях измельчающих машин получаемый продукт, измельченный до требуемого гранулометрического состава с заданным модулем помола, не выводится своевременно из зоны измельчения, что ведет к снижению его качества, а также увеличению энергозатрат на измельчение; - невозможность измельчения масленичных зерновых культур и зернового материала повышенной влажности.
Измельчение фуражного зерна представляет единую систему взаимодействия рабочих органов машины с объектом переработки - зерном. Поэтому исследовалось как само зерно, так и условия его измельчения.
Определение частоты вращения ротора-диска, при которой будет соблюдено устойчивое движение зерновки в зону измельчения
Анализируя уравнение (2.5) и опираясь на выводы из первой главы, можно прийти к заключению, что для повышения эффективности и КПД процесса измельчения фуражного зерна необходимо выполнить следующие условия: - уменьшить работу упругих деформаций Ау путем использования в измельчителе измельчающих рабочих органов, работающих по способу измельчения «скалывание-срез» с приложением разрушающего усилия поперек зерна, то есть Лу- тіп\ - увеличить работу на образование новых поверхностей As путем использования многоступенчатого измельчения с обязательным и своевременным выводом готового продукта заданного гранулометрического состава из рабочей зоны после каждой ступени измельчения, то есть As— тах.
Для выполнения поставленных условий по повышению эффективности и увеличению КПД процесса измельчения, кроме использования измельчающих рабочих органов, работающих по способу измельчения «скалывание-срез», необходимо предусмотреть как обязательную операцию сепарирование готового измельченного продукта с использованием сменных решет после каждой ступени измельчения.
Наличие данной операции позволяет: - вывести из общей измельченной массы ту часть продукта, частицы которого имеют заданные размеры или меньше их, и направить их к выгруз ным патрубкам, что позволит снизить затраты энергии на измельчение, свя занные с переизмельчением продукта из-за несвоевременного вывода готово го продукта из зоны измельчения, а также их транспортировкой; - оставшуюся часть целого и недоизмельченного продукта направить на следующую ступень измельчения; - на последней ступени измельчения предусмотреть ширину паза между измельчающими элементами рабочих органов ротора-диска меньше средних размеров целого зерна, что позволит получить готовый продукт без содержания в нем целых зерен; - получить более равномерный, заданный гранулометрический состав измельченного продукта, отвечающего зоотехническим требованиям, предъявляемым к готовому продукту для различных видов, групп, возраста животных и птиц. ,
Теоретические основы оптимизации фракционного состава зерновой дерти, образуемой при измельчении фуражного зерна в многоступенчатом измельчителе
Согласно зоотехническим требованиям фуражное зерно подвергается трем степеням размола, которые характеризуются средними размерами частиц (модуль помола): 0,2... 1,0 мм (для свиней); 1,0... 1,8 мм (для КРС) и 1,8...2,6 мм (для птицы). Однако существующие измельчители фуражного зерна дают широкий спектр размеров частиц зерновой дерти, захватывающий, как правило, все три степени размола. В связи с этим возникает проблема оптимизации гранулометрического состава получаемой зерновой дерти и выбор способов снижения разбросов частиц по размерам при измельчении фуражного зерна.
Известно, что размольные характеристики фуражного зерна могут быть описаны с помощью непрерывного логарифмически нормального распределения. Впервые на этот закон указал академик А.Н. Колмогоров при анализе измельчения различных материалов [89], а экспериментально подтвердил в отношении измельчения фуражного зерна профессор СВ. Мельников [106]. Однако в дальнейшем это распределение было незаслуженно забыто, а исследователи использовали в основном распределение Розина-Раммлера.
Логарифмически нормальное распределение частиц по размерам утверждает, что нормальное распределение - не сама случайная величина х, а логарифм этой величины. Аналитически функция плотности вероятности f (х) и функция распределения F (х) записываются в виде [88]: / 7 еЧЧ Л;х (гб) F( ) = i{l + er/[ ]}, (2.7) где a, \i - параметры распределения, причем о 0, -со ц, +оо; erf- функция ошибок (табулирована). Графическая иллюстрация этих функций приведена на рисунке 2.4.
Градиент функции/"(xj асимметричен с максимумом в точке ехр (ц — а2). Распределение имеет крутой левый и пологий правый спад, т.е. речь идет о положительной асимметрии. Фактически данный вид распределения указывает на то, что полученная зерновая дерть имеет размеры от нуля и до размера исходных зерновок.
Для различных видов, групп, возраста животных и птиц требуется определенный интервал размеров частиц измельченного фуражного зерна (хь х2). Интервал (хь х2) можно также записать в виде (х]5 kx2), где к = х2/хь
Возможность Р того, что размер х частиц зерновой дерти примет значение, принадлежащее интервалу (хь х2) составит: Р (х, х х2) = Г2 f(x)dx = F (xi) -F(х2). (2.8) Геометрически указанную вероятность можно истолковать как площадь заштрихованной фигуры (рисунок 2.4). Соответственно вероятность получения мелкого (для данного вида животных) помола: P(x x,)=C1f(x)dx, (2.9) крупного (для данного вида животных) помола: P(x x2) = /xV(x)dx. (2-Ю) Как видно из рисунка 2.4, в нужную зону (х/ х х2) попадает лишь некоторая часть помола. Размеры частиц зерновой дерти (0, х}) представляют переизмельченный продукт, (х2, со) - недоизмельченный. Мелкий помол ведет к перерасходу энергии измельчителем, крупный - не усваивается животными. И в этом, и в другом случае производство несет потери.
Традиционный путь улучшения помольной характеристики - настроить измельчители таким образом, чтобы пик функции распределения находился в интервале (х/, х2). Но это не решит проблему, поскольку недоизмельченный и переизмельченный зерновой продукт остается. Тем не менее определим аналитически наибольшую вероятность попадания размера частиц х, как случайной величины, в интервал (х/, х2), вычислив производную dP/dx и приравняв ее к нулю, т.е.
Определение характеристик измельченного в многоступенчатом измельчителе фуражного зерна
При исследовании процесса сепарации измельченного фуражного зерна следует отличать две группы свойств зерновой дерти: первая - биологические и химические, вторая - физико-механические. В нашем случае рассмотрим вторую группу, которая характеризует внешние свойства зерна - плотность, объемную массу зерна, размеры, форму, состояние поверхности, упругость и т.п.
При сепарации измельченной зерновой дерти, осуществляемой в многоступенчатом измельчителе с помощью сменных решетных сепараторов, ставится цель — наиболее полно и своевременно вывести фракции из зоны измельчения через решетную поверхность сепараторов, которые обеспечивают заданный модуль помола, отвечающего зоотехническим требованиям, предъявляемым для различных видов, групп, возраста животных и птиц [229].
Качество разделения измельченного фуражного зерна на сменных решетных сепараторах многоступенчатого измельчителя оценивается показателем полноты разделения є, главное достоинство которого состоит в том, что он учитывает влияние крупности измельченного зернового материала. Однако определение этого показателя связано с большим количеством необходимых измерений и вычислений, которые зависят от технологических и конструктивно-режимных параметров работы решетных сепараторов. Данный показатель представляет собой критерий качества работы сепаратора, разделяющего измельченную зерновую дерть на две фракции (сход-проход) и выражается как: є = , (2.62) где Фп — количество мелких частиц зерновой дерти, получаемое непосредственно при сепарировании - фактический проход; Ф0 - количество мелких частиц зерновой дерти, поступивших на решетную поверхность сепаратора - ожидаемый проход (после 1-й и 2-й ступеней измельчения).
Величина є определяется при анализе измельченной зерновой дерти, полученной на 1-й и 2-й ступенях измельчения следующими способами. - просеиванием проб измельченной зерновой дерти после 1 -й и 2-й ступеней измельчения на ситовом классификаторе; - многократным просеиванием измельченной зерновой дерти через исследуемое решето определенного диаметра отверстий.
В данном исследовании применяется методика определения содержания мелкой и крупной фракций по интегральной кривой, построенной по результатам ряда распределения зерновой дерти после измельчения в многоступенчатом измельчителе. Интегральная кривая - это сумма частот по классам, более удобна для определения количества зерновой дерти по разделяемому признаку и строится в координатах R (количество дерти в классе нарастающим итогом, %) и d (геометрические параметры, мм).
По интегральной кривой можно определить содержание мелкой (про-ходовой) фракции Фп в измельченной дерти в пределах границ ряда распределения.
Преимуществом определения величины Фп по интегральной кривой являются: - интегральная кривая дает размерную характеристику измельченной зерновой дерти, позволяет точно и быстро определить количество мелкой (проходовой дерти) и крупной (непроходовой дерти) для решет с заданными размерами рабочих отверстий; - по интегральным кривым и значениям фактического прохода (по массам выходов) можно определить полноту разделения є для сменных решетных сепараторов; - по интегральной кривой можно определить содержание мелкой фракции зерновой дерти, сходящей с решетной поверхности сепаратора. Условия работы сепараторов, установленных в многоступенчатом измельчителе особые, так как: - подача зерновой дерти на решетную поверхность сменных сепараторов после измельчения на ступенях измельчения переменна по величине; - гранулометрический состав дерти отличается от состава исходного зернового материала.
Согласно принятой технологической схеме установки сменных решетных сепараторов в многоступенчатом измельчителе, фракции, полученные после сепарации на первом сепараторе (проход) выводятся из зоны 2-й ступени измельчения, а (сход) представляют собой подачу зерновой дерти на 2-ю ступень измельчения; далее измельченная зерновая дерть поступает на решетную поверхность второго сепаратора (проход), выводится из зоны 3-й ступени измельчения, а (сход) поступает на 3-ю ступень измельчения. На 3-й ступени все целые зерна фуражных культур, оставшиеся после измельчения на ступенях измельчения и сепарации на сменных решетных сепараторах, (сходы) доизмельчаются, так как ширина паза измельчающих элементов ротора-диска и статора имеют ширину паза меньше ширины целого зерна. По Ill этому в получаемом готовом продукте не содержится целых зерен, что соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к измельченному продукту для различных видов, групп, возраста животных и птиц.
Это явление служит математической основой для составления соответствующих уравнений материального баланса по каждому компоненту отдельно. Во всех случаях подача зерновой дерти на решетную поверхность сменных сепараторов имеет экстремальный характер. Материальный баланс разделения зерновой дерти на блоке из двух решетных сепараторов можно записать в следующем виде: Qcen = qi+q2 + Oni-2 (2.63) где qi - подача зерновой дерти на решетный сепаратор, после измельчения на 1-й ступени измельчения; q2 - подача зерновой дерти на решетный сепаратор, после измельчения на 2-й ступени измельчения; Фш.2 - количество мелкой дерти (проход), получаемый непосредственно при сепарировании на двух решетных сепараторах, установленных после 1-й и 2-й ступеней измельчения.
В экспериментах нами проводился отбор проб (сход) и (проход) измельченной зерновой дерти, после каждого решетного сепаратора. Пробы сходового и проходового материалов для первого решетного сепаратора, установленного после 1-й ступени измельчения, отбирались при непрерывном технологическом процессе без установки 2-й и 3-й ступеней измельчения по всей поверхности сепаратора. Проход поступал на выгрузной крылач и выводился в специальный сборный короб для проходовой фракции, сходовая фракция поступала в специальный короб для сбора сходовой фракции с помощью пробоотборника. Пробы сходового и проходового материалов для второго решетного сепаратора, установленного после 2-й ступени измельчения, отбирались по всей поверхности сепаратора при непрерывном техноло
