Обоснование конструктивно-режимных параметров дробилки пророщенного зерна
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….……5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
ДРОБЛЕНИЯ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА………………………………………11
1.1 Классификация способов и технических средств
для измельчения зерна ………………………………………………………………….11
1.2 Анализ технических решений дробилок ……………………………….……….13
1.3 Анализ состояния исследований……………………………………………36
1.4 Цель и задачи исследования…………………………………………………36
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-
РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ДРОБИЛКИ……39
2.1 Общее устройство и принцип работы предложенной дробилки
пророщенного высушенного зерна ………………………………………………39
2.2 Построение блок – схемы дробилки пророщенного зерна……………………40
2.3 Анализ работ по измельчению кормов…..………………………………….42
2.4 Теоретические исследования процесса измельчения пророщенного
зерна……..…………………………………………………………………………47
2.4.1 Общая постановка задач теоретических исследований ……….…47
2.4.2 Анализ механических факторов, определяющих процесс
измельчения…..………………………………………………………………50
2.5 Обоснование конструктивных параметров дробилки..……………………54
2.5.1 Определение размеров молотков……………………………………55
2.5.2 Определение числа молотков и ножей…………………….……….56
2.6 Теоретическое обоснование угла заточки ножа……………………………58
2.7 Результаты расчета……..…………………………………………………………….62
2.8 Обоснование производительности дробилки……………………….…….68
2.9 Расчет энергетических показателей процесса измельчения…….………..71
Выводы.………………………………………………………………………………….75
3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ДРОБИЛКИ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА………..………77
3.1 Общая постановка вопроса ……………………….………………….……. 77
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований дробилки
пророщенного зерна ………………………………………………….…….. 79
3.3 Методика исследования гранулометрического состава кормов ………… 82
3.4 Методика исследования однородности измельченного пророщенного
зерна…………………………………………………………………………..86
3.5 Методика исследования плотности пророщенного измельченного
зерна…………………………………………………………………………..86
3.6 Методика определения влажности пророщенного высушенного
измельченного зерна……………………………………………………….. 88
3.7 Методика определения энергетических показателей дробилки при
измельчении пророщенного зерна …….……………………………………90
3.8 Методика оценки производительности дробилки пророщенного зерна…92
3.9 Методика оценки структуры пророщенного измельченного зерна………93
3.10 Статистическая оценка результатов эксперимента и определение
значимости коэффициентов уравнения регрессии ……..…..……………..94
3.11 Общее устройство и принцип работы предложенной дробилки
пророщенного высушенного зерна …………………………………….…. 97
Выводы …………………………………………………..……………………….….107
4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ…………………………………………………..……………..108
4.1 Результаты экспериментальных исследований энергоемкости процесса
измельчения пророщенного зерна ……………………………………………108
4.2 Результаты определения влажности и плотности пророщенного
зерна………………………………………………………………………………………………….110
4.3 Результаты экспериментальных исследований производительности
дробилки пророщенного зерна ……………………………………………111
4.4 Результаты оценки структуры пророщенного измельченного зерна……112
4.5 Результаты экспериментальных исследований процесса измельчения
пророщенного зерна …………………….…………….…………………………115
4.6 Результаты экспериментальных исследований оценки размера
измельченных частиц ………………………………………………………123
4.7 Результаты многофакторного эксперимента по влиянию конструктивных
и технологических параметров на энергоемкость процесса измельчения и
производительность дробилки ……………………………………….……126
Выводы …………………………………………………………………..…………..129
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ …………………………………………………………………….132
5.1 Технико-экономический анализ эффективности применения дробилки
пророщенного зерна ……………………………..…..………….…………132
Выводы ………………………………………………………………………………138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………..………………………………….139
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………143
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………….163
Введение. Обоснована актуальность темы, указана цель работы, вытекаю-
щие из нее задачи, и изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований дроб-
ления пророщенного зерна» систематизированы способы измельчения зерна
перед скармливанием или добавлением его для получения кормовой смеси, ре-
зультаты научных исследований и известные технические решения.
В процессе измельчения зерна происходит увеличение площади поверхно-
сти частиц, поэтому, попадая в организм животных такой продукт большей по-
верхностью, по сравнению с неизмельченным продуктом будет эффективнее вза-
имодействовать с желудочным соком животного, в результате чего питательные
вещества усвоятся полнее. Скармливание переизмельченного продукта может
привести к заболеванию желудочно-кишечного тракта. Конечный размер частиц
измельченного продукта, рекомендуемого к использованию, зависит от вида жи-
вотного, или птицы, возрастной группы.
Работы выполнялись на основе системного и комплексного подхода в не-
сколько этапов согласно структурной схеме, представленной на рисунке 1.
Для измельчения зерна и зернопродуктов большое распространение полу-
чили молотковые дробилки за свою простоту конструкции, высокую надеж-
ность. Молотковые дробилки используют для измельчения: зерна, шрота, жома.
Устанавливая решета с различным диаметром отверстий, регулируем необходи-
мый размер частиц.
Рисунок 1 – Структурная схема программы работ
С учетом влажности массы, прочности, пропускная способность и энерго-
емкость дробилок колеблется в широких диапазонах. Но у молотковых дробилок
есть и некоторые недостатки, одним из которых является неоднородность разме-
ров частиц измельченного продукта.
Оценку процесса измельчения продукта необходимо давать не только по
удельным затратам энергии на измельчение, по модулю помола, но и по наличию
пылевидной фракции (менее 0,25 мм) в измельченном корме. Переизмельчение
корма приводит к увеличению энергоемкости процесса.
Проанализировав конструкции молотковых дробилок можем отметить, что
они не могут быть использованы для измельчения неоднородных материалов,
имеющих различную плотность, структуру волокон. Таким материалом является
пророщенное зерно. Существующие молотковые дробилки после измельчения
оставляют неоднородный материал, имеющий различные геометрические раз-
меры. Для измельчения пророщенного зерна рекомендуется использовать дро-
билку с двумя видами рабочих органов: молотки и ножи. Первые будут измель-
чать зерновку, а вторые – ростки.
Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивно-режим-
ных параметров экспериментальной дробилки» представлена конструктивно-
технологическая схема дробилки пророщенного зерна с комбинированной дро-
бильной камерой. Дробильная камера содержит два барабана, на которых смон-
тированы молотки и ножи. В литературе процесс дробления зерна был рассмот-
рен довольно подробно, поэтому наибольший интерес представляет процесс
резания. Были проведены теоретические исследования процесса измельчения
пророщенного зерна. Особенность процесса измельчения пророщенного зерна
заключается в том, что измельчаемый продукт представляет собой неоднород-
ную по форме и плотности структуру: короткая по длине зерновка с прикреплен-
ным к ней, отличающимся по длине и плотности, ростком. Поэтому в процессе
измельчения энергетические показатели будут зависеть от взаимодействия из-
мельчающего органа с объектом измельчения.
На измельчение поступает высушенное проросшее зерно, представляющее
фактически два слабо скрепленных, отличающихся по своим свойствам объекта –
зерновка и росток. При первом взаимодействии с измельчающим органом про-
исходит отделение зерновки от ростка, и продукт фактически превращается в
трехфазную структуру: воздушная среда, зерновка и росток. Следовательно, при
измельчении необходимо учитывать различие свойств зерновки и ростка.
Наиболее оптимальным способом измельчения таких продуктов является ис-
пользование принципа молотковой дробилки. И если обеспечить разделение про-
дукта на потоки с последующим измельчением каждого из разделенных однород-
ных по структуре продуктов. Такой индивидуальный подход позволит снизить об-
щие затраты энергии на измельчение продукта и повысить производительность
устройства. Разделение процессов измельчения каждой из фаз возможно при ис-
пользовании конструктивной схемы комбинированной дробильной камеры, разрез
которой, плоскостью, перпендикулярной оси вращения, изображен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Кинематическая схема комбинированной дробильной камеры:
1 – молоток; 2 – нож; 1 , 2 – соответственно радиусы закрепления молотков и ножей
на своих роторах, м; 1, 2 – соответственно угловые скорости вращения частиц
в молотковом и ножевом слое, с-1; ℎ – длина рабочей части молотков, м;
ℎ1 – длина рабочей части ножей, м
Разрез дробильной камеры выполнен в вертикальной плоскости. Внутри дро-
бильной камеры установлена дека. Ножи осуществляют бесподпорное резание.
Более тяжелые частицы зерновки, за счет сообщенной им большей энергии,
перемещаются дальше от центра дробильной камеры, составляют периферийный
слой и взаимодействуют с периферийной системой молотков, а более легкие и
длинные ростки за счет сообщенной им меньшей энергии составляют внутрен-
ний слой и взаимодействуют с внутренней системой ножей. Таким образом, про-
исходит измельчение нескольких слоев продукта в одной камере.
Общая производительность измельчителя (кг/с) будет определяться про-
изводительностью измельчения в каждом слое:
= 1 + 2 ,(1)
где 1 – производительность в слое молотков, кг/сек; 2 – производительность в
слое ножей, кг/сек.
Если выбранное число молотков 1 в каждом из измельчающих барабанов
обеспечивают разрушение частиц за 1 оборот ротора, производительность в слое
молотков может быть определена интегрированием элементарного сечения из-
мельченного материала по траектории движения молотков и ножей:
∆ 1 = ∆ 1 1 1 ц1 ,(2)
∆ 2 = ∆ 2 2 2 ц2 ,(3)
где ∆ 1 , ∆ 2 – соответственно элементарная производительность при измельче-
нии в молотковом и в ножевом слое, кг/с; ∆ 1 , ∆ 2 – соответственно элементар-
ные сечения молоткового и ножевого слоя, м2; 1 , 2 – соответственно линейные
скорости движения элементарных сечений молоткового и ножевого слоя, м/с;
1 , 2 – соответственно плотность зерновки и ростка, кг/м3; ц1 , ц2 – концентра-
ция частиц в молотковом и ножевом слое, кг/кг.
В этом случае расчетная производительность в каждом слое может быть
определена интегрированием по высоте слоя:
+ℎ
1 = ∫ 1 сл1 1 1 ц1 ,(4)
2 +ℎсл2
2 =
∫ 2 2 ц2 ,(5)
где 1 , 2 – соответственно радиусы закрепления молотков и ножей на своих
роторах, м; ℎсл1 , ℎсл2 – соответственно высоты молоткового и ножевого слоя, м;
– ширина барабана, м; 1 , 2 соответственно угловые скорости частиц в мо-
лотковом и ножевом слое, с-1; .
После интегрирования получаем расчетные значения производительности
в каждом слое:
ℎ
1 = 1 ℎсл1 1 ц1 ( 1 + сл1),(6)
ℎсл2
2 = 2 ℎсл2 2 ц2 ( 2 +),(7)
Таким образом, общая производительность измельчителя (кг/с) равна:
ℎℎ
= [ 1 ℎ 1 ц1 ( 1 + ) + 2 ℎ1 2 ц2 ( 2 + 1)].(8)
3022
где ℎ – длина рабочей части молотков, м; ℎ1 – длина рабочей части ножей, м.
Расчетные значения числа молотков (ножей) установленных на дробиль-
ном и ножевом барабанах определяются с учетом угловой скорости барабанов,
ширины барабанов, суммарной толщины дисков, не перекрываемых молотками,
скорости подачи пророщенного зерна в дробильную камеру:
– число молотков
2 м
1 =( − Δ 1 )/а1 ,(9)
1 ℎ
– число ножей
2 м2
2 =( − Δ 2 )/а2 ,(10)
2 ℎ1
где а1 – толщина молотка, м; а2 – толщина ножа, м; VМ – скорость подачи мате-
риала, м/с; – суммарная толщина дисков, не перекрываемая молотками (но-
жами), м;
Согласно проведенным расчетам наибольшая производительность дро-
бильной установки будет находиться в диапазоне 0,52-0,56 т/ч, если обеспечить
частоту вращения дробильного барабана 2200-2600 мин-1, а частоту вращения
ножевого барабана 2600-2800 мин-1. Если обеспечить частоту вращения ноже-
вого барабана 2640-2950 мин-1 при толщине ножей в интервале 1,9-2,7 мм, то ре-
комендуемое количество ножей составит 62-68.
В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследо-
ваний дробилки пророщенного зерна», в соответствии с общей схемой иссле-
дований, теоретические исследования были направлены на изучение и выявле-
ние закономерностей измельчения пророщенного зерна.
В качестве критерия оптимизации измельчения приняли один параметр –
модуль помола, характеризующий конечные размеры измельченных частиц и со-
ответственно степень измельчения продукта в каждом слое.
В таблице 1 представлены значения факторов, влияющих на модуль по-
мола пророщенного зерна в дробильном барабане. Число рабочих органов в дро-
бильной камере принимались равными: число молотков 72 шт; число ножей
66 шт. Плотность, твердость, пророщенного зерна, парусность, скорость витания
во всех точках эксперимента были постоянными. В таблице 2 представлены зна-
чения факторов, влияющих на модуль помола пророщенного зерна в ножевом
барабане.
Таблица 1 – Факторы, влияющие на модуль помола пророщенного зерна в дробильном барабане
Обо-Уровни варьирования факторов
значе-Наименование фактора
-10+1
ние
Х1 Частота вращения дробильного барабана,
200025003000
nД мин-1
Х2 Толщина молотка, hМ м;0,0020,0030,004
Х3 Диаметр барабана, Dб м;0,60,650,7
Таблица 2 – Факторы, влияющие на модуль помола в ножевом барабане
Обо-Уровни варьирования факторов
значе-Наименование фактора
-10+1
ние
Х1 Угол заточки лезвия ножа, γН град102030
Х2 Расстояние между ножами, а мм71421
Частота вращения дробильного барабана,
Х3200025003000
nН мин-1
Экспериментальный образец дробильной установки пророщенного зерна с
комбинированной дробильной камерой представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 – Экспериментальная дробильная установка для пророщенного зерна:
1 – опора; 2 – электродвигатель для привода внешнего барабана; 3 – кожух защитный;
4 – передача ременная; 5 – камера дробильная; 6 – бункер центральный; 7 – бункер боковой;
8 – шкаф управления; 9 – узел подшипниковый; 10 – электродвигатель для привода
внутреннего барабана; 11 – рама; 12 – рукав выгрузной
В четвертой главе «Результаты и анализ экспериментальных исследо-
ваний» отражены результаты экспериментальных исследований процесса из-
мельчения пророщенного зерна с применением установки с комбинированной
дробильной камерой.
Результаты измельчения пророщенного зерна измеряли после прохожде-
ния пророщенным зерном последовательно двух ступеней измельчения – бара-
бан с молотками и ножевой барабан.
Каждую кормовую добавку: пророщенную высушенную пшеницу и ячмень
измельчали отдельно. Общая мощность электродвигателей составляла 8 кВт, в за-
висимости от степени измельчения энергоемкость составила от 6,7-8,3 кВт ч/т.
При измельчении пророщенного ячменя производительность у дробилки
зарегистрировали на отметке 515 кг/ ч. Анализируя качественные показатели ра-
боты, отметим, что недоизмельченная фракция составила 3,3%, переизмельчен-
ная фракция – 1,8%, требуемая фракция – 93,41%, потери получились порядка
1,49%.
При измельчении пророщенной пшеницы производительность у дробилки
зарегистрировали на отметке 522 кг/ ч. Анализируя качественные показатели ра-
боты, отметим, что недоизмельченная фракция составила 3,35%, переизмельчен-
ная фракция – 1,4%, требуемая фракция – 93,61%, потери получились порядка
1,64%.
Обработка результатов экспериментальных исследований, в соответствии
с планом таблицы 1, позволила получить уравнение регрессии, учитывающее
влияние воздействующих факторов на модуль помола пророщенного зерна.
Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов имеет вид:
МП 1 = -19,48 + 0,0007nД +9,97hМ + 0,57Dб + 0,0000002nД2 – 0,00028nДhМ –
– 0,000065nДDб + 4,76hМ 2 – 0,15hМ Dб – 0,003Dб2.(11)
Коэффициенты уравнения являются значимыми, адекватность модели удо-
влетворяет критерию Фишера.
Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет
R = 87,27 %.
Анализ уравнения регрессии (11) показал, что модуль помола пророщен-
ного зерна после дробильного барабана, в области исследуемых факторов, соста-
вил 1,2-1,3 и достигается при: nД – частоте вращения дробильного барабана,
2550-2580 мин-1; hМ – толщине молотка, 0,002-0,003 м; Dб – диаметре барабана,
0,6-0,62 м.
Обработка результатов экспериментальных исследований, в соответствии
с планом таблицы 2, позволила получить уравнения регрессии, учитывающее
влияние воздействующих факторов на модуль помола МП 2, мм, после измельче-
ния ножевым барабаном. Уравнение регрессии в натуральных значениях факто-
ров имеет вид:
МП 2 = 1,077 – 0,00085nН + 0,033bН + 0,1γН + 0,0000002 nН 2 – 0,0000038ωбbН –
– 0,000017ωбγН + 0,001 bН 2 – 0,001 bН γН – 0,0011 γН 2.(12)
Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет
R = 88,52%.
Анализ уравнения регрессии (12) показал, что модуль помола пророщен-
ного зерна после ножевого барабана, в области исследуемых факторов, состав-
ляет 1,25-1,3 и достигается при: nН – частоте вращения ножевого барабана,
2820-2840 мин-1; bН – расстоянии между ножами, 12-14 мм; γН – угле заточки лез-
вия ножа, 14-150.
На рисунке 8 представлена поверхность отклика модуля помола пророщен-
ного зерна от угла заточки ножа и частоты вращения ножевого барабана, и ее
двумерные сечения.
1- 1,3 мм
Рисунок 8 – Поверхность отклика модуля помола пророщенного зерна от угла заточки ножа
и частоты вращения ножевого барабана, и ее двумерные сечения
Выполнив анализ поверхности отклика, на рисунке 8 прослеживается сле-
дующая взаимосвязь, что после измельчения ножами, необходимый модуль
помола составил 1-1,3 мм, при частоте вращения ножевого барабана от
2200-3000 мин-1 и угле заточки ножей 12-16 град. Увеличение угла заточки ножа
от 16 до 18 град способствует повышению модуля помола до 1,6-1,7 мм, что пре-
вышает рекомендованное значение 0,9-1,4 мм.
Проведены исследования по влиянию конструктивных и технологических
параметров на энергоемкость процесса. На рисунке 9 представлена поверхность
отклика энергоемкости измельчения пророщенного зерна от угла заточки ножа
и модуля помола, и ее двумерные сечения.
5- 6,5 кВт ч/ т
Рисунок 9 – Поверхность отклика энергоемкости измельчения пророщенного зерна
от угла заточки ножа и модуля помола, и ее двумерные сечения
На энергоемкость существенно влияют модуль помола и угол заточки
ножа. Эти результаты косвенно согласуются с теоретическими результатами при
расчете физического критерия оптимальности на измельчение.
На основе экспериментальных исследований получены зависимости влия-
ния частот вращения ножевого и дробильного барабанов на общую производи-
тельность дробилки. Поверхность отклика производительности дробильной
установки от частоты вращения дробильного и ножевого барабанов, и ее двумер-
ные сечения приведены на рисунке 10.
0,52- 0,54 т/ ч
Рисунок 10 – Поверхность отклика производительности дробильной установки от частоты
вращения дробильного и ножевого барабанов, и ее двумерные сечения
Наибольшая производительность дробильной установки будет нахо-
диться в диапазоне 0,52-0,54 т/ч, если обеспечить частоту вращения дробиль-
ного барабана 2200-2600 мин-1, а частоту вращения ножевого барабана
2600-2850 мин-1
В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов исследо-
вания» приведен расчет технико-экономической эффективности дробилки про-
рощенного зерна с учетом их производительности и стоимости.
В результате проведенных расчетов установлено, что в предложенной дро-
билке пророщенного зерна часовая производительность составляет 522 кг/ч.
(сменная производительность 2,088 т/смену) при влажности пророщенного зерна
W1 = 14-16%. Затраты на измельчение 1 т зерна составят 818,52 руб./тонну.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 На основании анализа существующих конструкций дробилок указаны их
недостатки, которые не позволяют измельчить зерновки и ростки пророщенного
зерна, имеющие разные начальные размеры, до величин, соответствующих тех-
нологии приготовления комбикормов. Для измельчения пророщенного зерна ре-
комендуется использовать дробилку с двумя видами рабочих органов, которые
будут обеспечивать дробление зерновки и резание ростков. Определено направ-
ление разработки дробилки пророщенного зерна, обоснована её конструктивно-
технологическая схема.
2 В результате исследований структуры пророщенного измельченного
зерна установлено, что пророщенное зерно является неоднородным продуктом,
который состоит из зерновки и ростка. Зерновка состоит из следующих состав-
ляющих: оболочки, мучнистого тела и зародышевой части. С учетом проведен-
ного структурного анализа пророщенного зерна следует важный технологиче-
ский вывод: для того, чтобы измельчить такой неоднородный материал как про-
рощенное зерно необходимо использовать два типа рабочих органов: молотки и
ножи.
3 В результате экспериментальных исследований процесса измельчения
пророщенного зерна по разработанным методикам установлено, что применение
в одной камере молотков и ножей позволяет получить при измельчении проро-
щенного зерна материал, средние размеры которого составляют 1,1-1,3 мм. Сле-
довательно, применение в дробилках для пророщенного зерна двух видов рабо-
чих органов (молотков и ножей) позволяет получить высокую степень однород-
ности продукта с необходимой степенью измельчения.
4 На основе проведенных теоретических исследований получены матема-
тические модели для анализа и расчета конструктивных и технологических па-
раметров дробилки:
– оптимального количества молотков. Установлено, что для обеспечения
модуля помола зерновки пророщенного зерна в интервале 0,9-1,4 мм рекомен-
дуемое количество молотков составляет 68-72 единицы, которые можно
установить на дробильном барабане, если обеспечить его частоту вращения
2400-2600 мин-1, при толщине молотков в интервале 2,5-3,8 мм.; рекомендуемое
количество ножей составляет 62-68 единиц, которые можно установить на но-
жевом барабане, если обеспечить его частоту вращения 2640-2950 мин-1, при
толщине ножей в интервале 1,9-2,7 мм.
– производительности дробильной установки. Установлено, что произво-
дительность принимает наибольшее значение 0,52-0,56 т/ч, если обеспечить ча-
стоту вращения дробильного барабана 2200-2600 мин-1, а частоту вращения но-
жевого барабана 2600-2800 мин-1.
– удельных затрат на измельчение с обеспечением необходимых конечных
размеров зерновки и ростка пророщенного зерна. Удельные затраты находятся в
диапазоне 47-52 кДж/кг при степени измельчения ростков от 20,71 до 24,17 еди-
ниц и степени измельчения зерновки от 7,86 до 9,17 единиц, энергоемкость про-
цесса измельчения составит 6,2-8,3 кВт ч/т.
5 Предложены критериальные зависимости для оценки удельных энерго-
затрат при измельчении пророщенного зерна. На основе критерия оптимально-
сти процесса резания по минимуму удельных энергозатрат на сжатие в резуль-
тате проведенных расчетов установлено: для резания продукта (σ = 0,08 МПа;
τ = 0,32 МПа) с толщиной слоя 4 мм конструктивные параметры должны быть сле-
дующими: толщина ножа а = 2 мм, толщина режущей кромки ножа δ = 0,05 мм;
угол заточки γ равен 140; длина участка заточки ножа z = 7,821 мм.
В результате экспериментальных исследований по оценке энергоемкости
процесса измельчения установлено: при измельчении ножами энергоемкость соста-
вила 5,76-7,2 кВт ч/т при модуле помола 1-1,25 мм и угле заточки ножа 12-22 град.
и при частоте вращения ножевого барабана 2520-2960 мин-1. Установлено, что
при производительности дробилки 0,52 т/ч и уменьшении степени измельчения
ростков с 24,17 до 20,71 единиц энергоемкость измельчения возрастет с 6,2 до
7,23 кВт ч/т. Общая энергоемкость процесса измельчения пророщенного зерна,
в том числе ростков и зерновки изменится с 8 до 9,35 кВт ч/т.
6 На основе экспериментальных исследований с применением методов
планирования эксперимента получены регрессионные уравнения, учитывающие
влияние конструктивных и технологических параметров дробилки на модуль по-
мола. В результате анализа уравнений регрессии и поиска оптимальных значе-
ний параметров установлено:
– модуль помола пророщенного зерна после измельчения дробильным бара-
баном, в области исследуемых факторов, находится в диапазоне 1,2-1,3 мм и может
быть получен при: nД – частоте вращения дробильного барабана, 2550-2580 мин-1;
hМ – толщине молотка, 0,002-0,003 м; Dб – диаметре барабана, 0,6-0,62 м;
– модуль помола пророщенного зерна после измельчения ножевым бараба-
ном, в области исследуемых факторов, находится в диапазоне 1,25-1,3 мм и может
быть получен при: nН – частоте вращения ножевого барабана, 2820-2840 мин-1;
bН – расстоянии между ножами, 12-14 мм; γН – угле заточки лезвия ножа, 14-150.
7 В результате производственной проверки и технико-экономического
обоснования определено, что в предложенной молотковой дробилке с комбини-
рованной дробильной камерой часовая производительность составляет 522 кг/ч
(сменная производительность 2,088 т) при влажности пророщенного зерна
W1 = 14-16%. Затраты на измельчение 1 т зерна составят 818,52 руб.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
1. Полученные результаты могут быть использованы при разработке или
модернизации машин для измельчения неоднородных материалов.
Результаты научных исследований могут быть использованы в конструк-
торских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения при разра-
ботке дробилок с двумя измельчающими барабанами, которые имеют одну ось
вращения, с целью получения однородной массы.
2. Перспективы настоящей работы заключаются в том, что результаты ис-
следований могут быть использованы в разработке средств механизации, кото-
рые будут измельчать пророщенное зерно и гидропонный корм без предвари-
тельной сушки.
В настоящее время в Российской Федерации особое внимание уделено
развитию сельского хозяйства. Сейчас как растениеводство, так и животноводство
нуждаются в новых и в тоже время простых и понятных технологиях и
технических решениях.
Для получения мяса выращивают крупный рогатый скот, птицу, а также
свиней. На сегодняшний день свиноводство очень развитая отрасль. Это выгодно
по ряду показателей. Прежде всего, свиньи очень быстро растут. Низкое
отношение потребления корма на килограмм привеса [1, 2]. Отличаются свиньи
высокой плодовитостью и коротким временем воспроизводства. Мясо свиней
ценится по своим вкусовым качествам и питательным свойствам. Мясо и сало
хорошо перевариваются на 95 и 98% соответственно.
При промышленном ведении свиноводства животных содержат в
помещениях безвыгульно и кормят только комбикормами.
Правильное, полноценное кормление животных может быть выполнено
только при знании их потребности и обеспечения в элементах питания,
минеральных веществах, витаминах [3].
В процессе эволюции организм животных приспособился к большому
многообразию кормов, одним из которых являются зелёные корма. При выдаче
животному кормов питательные вещества воздействуют на организм животного
не отдельно друг от друга, а в совокупности [4 – 13]. Одним из дешевых способов
обогащения комбикорма естественными витаминами является добавление
пророщенного зерна в комбикорм. При выдаче пророщенного зерна отдельно от
комбикорма, более сильные животные будут поедать большую часть, а слабые –
будут получать меньше рассчитанной нормы. Чтобы все животные, находящиеся
в боксе, получали массу пророщенного зерна, прямо пропорционально
съеденному корму, необходимо в комбикорм добавить пророщенное зерно и
получить, таким образом, кормовую смесь. Пророщенное зерно является
неоднородной структурой, оно состоит из самого зерна и ростка, то есть
представляет собой неоднородную массу [2, 14, 15]. Средняя длина ростка
составляет 2,5 – 3 см, что превышает размеры частиц комбикорма [15 – 17]. Чтобы
получить кормовую смесь на основе пророщенного зерна необходимо его
измельчить, затем перемешать пророщенное зерно с комбикормом [16, 17].
Чтобы измельчить неоднородный материал, которым является пророщенное
зерно нужно использовать различные виды рабочих органов. Для измельчения
зерна применяют молотки, а для измельчения ростков используют ножи.
В вопросах измельчения кормов авторы применяют различные подходы к
комплексной оценке технических средств и их функционированию.
Сложность измельчения пророщенного зерна заключается в том, что
материал является неоднородной средой и состоит из более плотной зерновки и
менее плотного ростка, которые отличаются друг от друга плотностью,
твердостью, геометрическими размерами, структурой, скоростью витания,
коэффициентом парусности. После измельчения из различных материалов
необходимо получить одинаковые по размеру частицы. Разработка технических
средств, обеспечивающих получение из пророщенного зерна однородной
измельченной массы, является важной задачей.
На основании выполненных исследований в диссертации решена задача,
заключающаяся в теоретическом обобщении процесса резания ростков
пророщенного зерна, разработки теоретических аспектов дробилки.
Цель работы – повышение эффективности измельчения пророщенного
зерна за счет оптимизации конструктивно-технологических параметров дробилки.
Задачи исследований:
1. обосновать конструктивно-технологическую схему дробилки с учетом
неоднородной структуры пророщенного зерна;
2. разработать математические модели, учитывающие число молотков и
ножей; обосновать углы заточки ножей; влияние конструктивных и
конструктивно-режимных параметров дробилки на качественные показатели
процессов; провести расчет производительности дробилки и энергетических
показателей процесса измельчения;
3. разработать методики оценки качественных и количественных показателей
работы дробилки;
4. провести экспериментальные исследования и определить влияние
конструктивно-режимных параметров на качественные и количественные
показатели работы дробилки, выполнить оптимизацию конструктивных и
режимных параметров дробилки пророщенного зерна;
5. выполнить производственную проверку и оценить технико-экономические
показатели дробилки пророщенного зерна.
Объект исследования. Процесс измельчения пророщенного зерна
рабочими органами дробилки.
Предмет исследования. Закономерности измельчения ростков
пророщенного зерна рабочими органами дробилки.
Научную новизну составляют:
Конструктивная схема дробилки пророщенного зерна с комбинированной
дробильной камерой; математические модели, учитывающие влияние
конструктивных параметров и режимов работы дробилки пророщенного зерна на
процесс измельчения; результаты оптимизации конструктивно-режимных
параметров дробильной камеры на основе методов безразмерных критериев
оптимизации.
Теоретическую значимость представляют:
моделирование процесса измельчения пророщенного зерна в дробильной
камере, в которой продукт разделяется на потоки с различными физическими
свойствам, а измельчение осуществляется двумя типами рабочих органов;
полученные модели и зависимости, позволяющие оценить эффективность
процесса измельчения с учетом геометрии рабочих органов и динамики процесса,
включающие математические модели расчета: молотков и ножей, установленных
соответственно на молотковом и ножевом барабанах.
Практическую ценность представляют:
конструктивно-технологическая схема дробилки пророщенного зерна,
которая обеспечивает равномерное измельчение зерна и ростков (патент РФ №
2692559, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU
№ 2019616509, свидетельство о государственной регистрации программы для
ЭВМ RU № 2021619705).
оптимизация технологического процесса измельчения пророщенного зерна,
выполняемого предлагаемой дробилкой по энергоемкости измельчения
пророщенного зерна от угла заточки ножа и модуля помола, частоты вращения
ножевого барабана;
результаты экспериментальных исследований и регрессионные
зависимости, учитывающие влияние частоты вращения дробильного и ножевого
барабанов, толщины молотка, диаметра дробильного барабана; расстояния между
ножами, угла заточки лезвия ножа на модуль помола пророщенного зерна;
рекомендуемые конструктивно-режимные параметры дробилки,
обеспечивающие равномерность измельчения зерна и ростков, согласно
зоотехническим требованиям;
результаты производственной проверки дробилки пророщенного зерна в
условиях КФХ Юрьев А.Ю.
Реализация результатов исследований.
Дробилка пророщенного зерна прошла производственную проверку в
Крестьянском (фермерском) хозяйстве Юрьев А.Ю. в Валуйском районе
Белгородской области и показала высокую эффективность, и надежность работы
оборудования.
Материалы исследований по разработке средств механизации проращивания
и подготовки зерна к скармливанию используются в качестве методических
пособий в учебном процессе ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ.
Степень достоверности. Достоверность результатов и выводов,
полученных в диссертации, обеспечивается применением общенаучных методов
и приемов. Экспериментальные исследования выполнены на современном
оборудовании по апробированным методикам. Сходимость теоретических и
экспериментальных данных позволяет говорить об адекватности предложенных
математических моделей и не противоречит фактам, известным из специальной
литературы.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной
работы были доложены и одобрены на научной конференции профессорско-
преподавательского состава, аспирантов и специалистов в Белгородском ГАУ
«Инновационные решения в аграрной науке – взгляд в будущее» (28 – 29 мая 2019
года); на национальной международной научно-производственной конференции
«Наука аграрному производству: актуальность и современность» (2018 года); на
научно-практической конференции «Механизация и автоматизация
технологических процессов в сельскохозяйственном производстве» Воронежский
ГАУ, 2020 г.; на расширенном заседании кафедры «Машины и оборудование в
агробизнесе» Белгородский ГАУ, 2021 г.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных
научных задач использовались фундаментальные физические законы и
математические методы исследования. С помощью математического анализа и
законов механики производили теоретическое обоснование процесса
измельчения, а при помощи методов регрессионного анализа и оценки
достоверности результатов определяли оптимальные параметры и режимы
работы дробилки пророщенного зерна. Экспериментальные исследования
проводились стандартными и частными методами и инструментами. В результате
проведённых экспериментов полученные значения обрабатывали с
использованием ПЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
конструктивно-технологическая схема дробилки пророщенного зерна,
отличающаяся дробильной камерой, имеющей два типа рабочих органов: для
дробления и резания продукта;
математические модели и результаты теоретических исследований,
включающие расчеты производительности с учетом конструктивно-
технологических параметров дробильной камеры; расчет числа рабочих органов,
установленных в дробильной камере с учетом скорости подачи продукта, частоты
вращения ножевого барабана; расчет геометрии ножа с учетом прочностных
свойств материала на основе безразмерных критериев; расчет удельных затрат на
измельчение с учетом степени измельчения продукта;
результаты экспериментальных исследований и регрессионные
зависимости, включающие: влияние конструктивно-режимных параметров на
модуль помола и энергетические показатели процесса измельчения;
результаты производственных испытаний и технико-экономической
оценки дробилки пророщенного зерна.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 научных
работ, в том числе 5 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 1 патент на
изобретение, 2 свидетельства о государственной регистрации программы на
ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 4,19 печ. л., из которых 3,2 печ. листа
принадлежат лично автору.
Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 180
страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения,
списка использованных источников литературы из 158 наименований, в том числе
6 – на иностранных языках, содержит 83 рисунка, 12 таблиц и 9 приложений.
1 На основании анализа существующих конструкций дробилок указаны их
недостатки, которые не позволяют измельчить зерновки и ростки пророщенного
зерна, имеющие разные начальные размеры, до величин, соответствующих
технологии приготовления комбикормов. Для измельчения пророщенного зерна
рекомендуется использовать дробилку с двумя видами рабочих органов, которые
будут обеспечивать дробление зерновки и резание ростков. Определено
направление разработки дробилки пророщенного зерна, обоснована её
конструктивно-технологическая схема.
2 В результате исследований структуры пророщенного измельченного
зерна установлено, что пророщенное зерно является неоднородным продуктом,
который состоит из зерновки и ростка. Зерновка состоит из следующих
составляющих: оболочки, мучнистого тела и зародышевой части. С учетом
проведенного структурного анализа пророщенного зерна следует важный
технологический вывод: для того, чтобы измельчить такой неоднородный
материал как пророщенное зерно необходимо использовать два типа рабочих
органов: молотки и ножи.
3 В результате экспериментальных исследований процесса измельчения
пророщенного зерна по разработанным методикам установлено, что применение в
одной камере молотков и ножей позволяет получить при измельчении
пророщенного зерна материал, средние размеры которого составляют 1,1 – 1,3 мм.
Следовательно, применение в дробилках для пророщенного зерна двух видов
рабочих органов (молотков и ножей) позволяет получить высокую степень
однородности продукта с необходимой степенью измельчения.
4 На основе проведенных теоретических исследований получены
математические модели для анализа и расчета конструктивных и технологических
параметров дробилки:
– оптимального количества молотков. Установлено, что для обеспечения
модуля помола зерновки пророщенного зерна в интервале 0,9 – 1,4 мм
рекомендуемое количество молотков составляет 68 – 72 единицы, которые можно
установить на дробильном барабане, если обеспечить его частоту вращения 2400 –
2600 мин-1, при толщине молотков в интервале 2,5 – 3,8 мм.; рекомендуемое
количество ножей составляет 62 – 68 единиц, которые можно установить на
ножевом барабане, если обеспечить его частоту вращения 2640 – 2950 мин-1, при
толщине ножей в интервале 1,9 – 2,7 мм.
– производительности дробильной установки. Установлено, что
производительность принимает наибольшее значение 0,52 – 0,56 т/ч, если
обеспечить частоту вращения дробильного барабана 2200 – 2600 мин-1, а частоту
вращения ножевого барабана 2600 – 2800 мин-1.
– удельных затрат на измельчение с обеспечением необходимых конечных
размеров зерновки и ростка пророщенного зерна. Удельные затраты находятся в
диапазоне 47 – 52 кДж/кг при степени измельчения ростков от 20,71 до 24,17
единиц и степени измельчения зерновки от 7,86 до 9,17 единиц, энергоемкость
процесса измельчения составит 6,2 – 8,3 кВт ч/т.
5 Предложены критериальные зависимости для оценки удельных
энергозатрат при измельчении пророщенного зерна. На основе критерия
оптимальности процесса резания по минимуму удельных энергозатрат на сжатие
в результате проведенных расчетов установлено: для резания продукта (σ = 0,08
МПа; τ = 0,32 МПа) с толщиной слоя 4 мм конструктивные параметры должны
быть следующими: толщина ножа а = 2 мм, толщина режущей кромки ножа δ =
0,05 мм; угол заточки γ равен 140; длина участка заточки ножа z = 7,821 мм.
В результате экспериментальных исследований по оценке энергоемкости
процесса измельчения установлено: при измельчении ножами энергоемкость
составила 5,76 – 7,2 кВт ч/т при модуле помола 1 – 1,25 мм и угле заточки ножа 12
– 22 град. и при частоте вращения ножевого барабана 2520 – 2960 мин-1.
Установлено, что при производительности дробилки 0,52 т/ч и уменьшении
степени измельчения ростков с 24,17 до 20,71 единиц энергоемкость измельчения
возрастет с 6,2 до 7,23 кВт ч/т. Общая энергоемкость процесса измельчения
пророщенного зерна, в том числе ростков и зерновки изменится с 8 до 9,35 кВт
ч/т.
6 На основе экспериментальных исследований с применением методов
планирования эксперимента получены регрессионные уравнения, учитывающие
влияние конструктивных и технологических параметров дробилки на модуль
помола. В результате анализа уравнений регрессии и поиска оптимальных
значений параметров установлено:
– модуль помола пророщенного зерна после измельчения дробильным
барабаном, в области исследуемых факторов, находится в диапазоне 1,2 – 1,3 мм и
может быть получен при: nД – частоте вращения дробильного барабана, 2550 –
2580 мин-1; hМ – толщине молотка, 0,002 – 0,003 м; Dб – диаметре барабана, 0,6 –
0,62 м;
– модуль помола пророщенного зерна после измельчения ножевым
барабаном, в области исследуемых факторов, находится в диапазоне 1,25 – 1,3 мм
и может быть получен при: nН – частоте вращения ножевого барабана, 2820 – 2840
мин-1; bН – расстоянии между ножами, 12 – 14 мм; γН – угле заточки лезвия ножа,
14 – 150.
7 В результате производственной проверки и технико-экономического
обоснования определено, что в предложенной молотковой дробилке с
комбинированной дробильной камерой часовая производительность составляет
522 кг/ч (сменная производительность 2,088 т) при влажности пророщенного
зерна W1 = 14 – 16%. Затраты на измельчение 1 т зерна составят 818,52 руб.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
1. Полученные результаты могут быть использованы при разработке или
модернизации машин для измельчения неоднородных материалов.
Результаты научных исследований могут быть использованы в
конструкторских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения при
разработке дробилок с двумя измельчающими барабанами, которые имеют одну
ось вращения, с целью получения однородной массы.
2. Перспективы настоящей работы заключаются в том, что результаты
исследований могут быть использованы в разработке средств механизации,
которые будут измельчать пророщенное зерно и гидропонный корм без
предварительной сушки.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (37 отзывов)
0 (13 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (9 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
5 (8 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
