CC BY
26
Шкондин В.Н. Анализ критериев оптимизации двухступенчатого измельчителя зерна // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2016. -№4 (7) октябрь - декабрь. - URL http://e-joumal.omgau.ru/index.php/2016-god/7/32-statya-2016-4/486-0023L - ISSN 2413-4066
УДК 664.73.001.2
Шкондин Владимир Николаевич
Лаборант кафедры «Технологии и средства механизации АПК»
Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде vn. shkondin@yandex.ru
Анализ критериев оптимизации двухступенчатого измельчителя зерна
Аннотация. Статья посвящена поиску новых технологических приемов измельчения концентрированных кормов, которые помогут существенно снизить энергоемкость процесса и повысить качество готового продукта. Произведен анализ влияния параметров и режимов работы измельчения на его энергетику. Отобраны, после проведения предварительной экспертной оценки, наиболее значимые факторы, влияющие на качественные и энергетические критерии оптимизации.
Ключевые слова: упруго-вязкие свойства зерна, энергоемкость, модуль помола, двухступенчатое разрушение зерна, факторы измельчения зерна, многофакторный эксперимент.
Анализ мирового и отечественного опыта ведения животноводства показывает, что только в условиях высокого уровня обеспеченности ферм полноценными кормами и машинами, отвечающими прецизионным технологиям, возможна реализация генетического потенциала животных и птицы. Современное производство сельскохозяйственной продукции исходит из принципов интенсификации, суть которой заключается в максимальном получении качественного продукта с минимальным использованием ресурсного потенциала [1,2,3].
Выполненные в последние годы исследования и предложенные технические решения измельчителей позволяют существенно улучшить энерготехнологические характеристики процессов измельчения. Однако они ориентированы на уменьшение числа ударов при сохранении высоких рабочих скоростях [4,5].
Авторы выполненных исследований и схематических решений, начиная с научной школы С.В. Мельникова и последних публикаций, уделяют основное внимание «организации» процесса в устройствах различной конструкции, не касаясь физики процессов деформирования^].
Учет упруго-вязких свойств зерновок основных кормовых культур обозначил перспективу разработки процесса их измельчения в решении ступенчатого наращивания разрушающих напряжений и дефектов прочности. В результате чего наметились два пути реализации наращивания внутренних напряжений: постепенное воздействие на зерновку дисковым рабочим органом или ступенчатое (вальцами, затем молотками) (рисунок 1)[7].
Подача измельчителя регламентируется вальцовой парой и определяется по известной зависимости (рисунок 1а)
Qвп=l5pVppy, (1)
где 1 - длина вальцов, м; 5р - рабочий зазор между вальцами, м^р - скорость продуктового слоя в рабочем зазоре, м-с ; р - плотность тела зерновки, кг/м ; у - коэффициент заполнения рабочего зазора, равный (0,35-0,45).
а) деформация зерновки гладкими вальцами при ю1=ю2; 5-рабочий зазор; а-угол защемления; dЭ-эквивалентный диаметр зерновки; RВ-радиус вальца;
б) рабочий процесс ступенчатого измельчения зерна; 1 - вальцовая секция; 2 - молотковый барабан; 3 - концентрирующие и рассеивающие деки; 4 - измельчаемый материал
Рисунок 1 - Схемы работы измельчителей Суммарная мощность на привод пары вальцов в режиме «прокатывания», предразру-шения зерновок определена зависимостью
N = ^ + ®2-2
1К (<г + а„)—sin2 а.
2\ ц> ц /
<
(2)
Здесь ю1 и ю2 - угловые скорости быстроходного и тихоходного вальцов, с- ; R - радиус вальцов, м; а - угол захвата зерновок парой вальцов, град.; оф - напряжение в структуре зерновки на входе в рабочий зазор, Па, определяемое с учетом упруго-вязких свойств по формуле
2Г„
< =
Ets + п ■ (Н - Е) ■ (1 - е")
(3)
где 5; - величина зазора на уровне равнодействующих сил сжатия, м; ов - напряжение в зерновке на выходе из рабочего зазора, равное < = Е - Sp )/dэ; (4)
Vx - горизонтальная составляющая скорости рабочей поверхности вальцов, м-с"1; Н, Е -мгновенный и длительный модули упругости, Па; п - продолжительность релаксации, с; ^ -время прохождения слоя зерновок рабочего пространства, с; dэ - эквивалентный диаметр зерновки, мм.
Тогда уравнение процесса «прокатывания» зерна вальцевой парой с учетом (1) и (3) записывается в виде
м Q ■ К + < ) < „ • 2
Nn =---- к sin а,
Sр ■ Р<ц
(5)
Откуда следует, что энергетика процесса предварительного «прокатывания» зерна функционально зависит от его упруго-вязких свойств, границы упругой прочности 5р (3), за-
данной производительности (1) и взаимосвязанных параметров (Д и а). При этом в зависимости от модели величину R следует определять для всего спектра dэ - зерновок, входящих в кормовые ресурсы хозяйства: овес, просо, пшеница, кукуруза, горох, нут и др. и 8i назначать им соответствующую.
Анализ приведенных зависимостей даёт общее представление об энергетике процес-са.Оценка значимости и взаимодействий факторов весьма затруднительна.Для выбора факторов модели процесса выполнена их экспертная оценка по энергоемкости и модулю помола по известной методике [8].
Для выяснений мнений экспертов была разработана анкета (таблица1), к которой прилагалась схема двухступенчатого измельчения зерна предлагаемой конструкции (рисунок 1а). В состав экспертов вошли профильные специалисты СКНИИМЭСХ и АЧИИ.
Таблица 1
Анкета экспертной оценки факторов работы
двухступенчатого измельчителя зерна_
обозначение фактора наименование фактора и единицы измерения интервалы (уровни) варьирования место фактора (мнение специалиста)
нижний верхний модуль помола энергоемкость
1 2 3 4 5 6
Хх влажность зерна, % 10 12
Х2 подача, г/с 200 600
Хз зазор между вальцами, мм 1 3
Х4 скорость рабочей поверхности вальцов, м/с 5 11
Х5 рабочая скорость молотков, м/с 35 45
Хб количество пакетов молотков на барабане, шт 2 6
Х7 культура - +
Х8 числоотражающих секций дек 2 6*
* - концентрирующие или рассеивающие секции дек
Результаты опроса специалистов сведены в таблицы 2 и 3 - алгоритм для определения коэффициента конкордации, в которыхк - число факторов, т - число специалистов - экспертов.
В результате расчетов определены суммы и разности А, по формуле [6]:
т
А i =£ а, - L , (6)
м
k т
где I = = ^ « 34.
k 8
Таблица 2
Алгоритм расчета коэффициента конкордации по модулю помола
Специалисты (т) Факторы (к) Приме чание
Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х6 Х7 Х8
1 4 2 1 8 7 3 8 6
2 7 6 1 2 3 4 5 5
3 3 6 1 4 2 5 7 8
4 6 7 5 4 2 1 8 3
5 2 - 1 3 5 6 4 -
6 7 3 1 4 2 5 8 6
7 7 6 4 2 1 3 8 5
8 7 3 2 4 1 5 8 6
т Суммы V а. .=1 43 33 16 31 23 32 56 39 L=34
Разно- т сти А.. = V а.. - L 1 ¿—1 ч 1=1 9 -1 -18 -3 -11 -2 22 5
А2. 81 1 324 9 121 4 484 25 S=1049
Коэффициент конкордации рассчитывался по зависимости [6,8]:
Ш = Л = 111049 = 0,39.
т2(k3 - k) 64^504 (7)
После вычисления коэффициента конкордации оценивали его значимость по %2 -критерию Пирсона, равному[8]
129
= m(k - =—— = 21,85.
m(k +1) (8)
Табличные значения %2 критерия с числом степеней свободы f = (k -1) = 8 -1 = 7
равны соответственно для уровней значимости: 0,10; 0,05; и 0,01 - 12,017, 14,067 и 18,475,
2
что ниже полученного значения %эксп =21,85.
Таким образом, коэффициент конкордации значительно отличается от нуля и можно утверждать, что согласованность экспертов не является случайной.
По результатам опроса и критериальной оценки их значимости строим диаграмму рангов факторов по энергоемкости (рисунок 2).
Рисунок 2 - Диаграмма рангов факторов по модулю помола
Из приведенной диаграммы рангов можно сделать вывод о том, что для дальнейших экспериментальных исследований целесообразно отобрать такие факторы как: х3 - зазор между вальцами, мм; х5 - рабочая скорость молотков, м/с; х4- скорость рабочей поверхности вальцов, м/с; х6 - количество пакетов молотков на барабане, шт; х2 - подача, г/с.
Аналогичным образом выполнено ранжирование факторов по энергоемкости.
Таблица 3
Алгоритм расчета коэффициента конкордации по энергоемкости
Специалисты (т) Факторы (к) Приме чание
Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х6 Х7 Х8
1 6 1 7 3 2 8 5 4
2 6 4 5 3 2 1 8 7
3 6 5 3 4 1 2 7 8
4 7 1 4 2 6 3 8 5
5 5 4 3 2 1 7 6 8
6 7 3 1 6 2 5 8 4
7 7 4 3 2 1 5 8 6
8 7 2 3 4 1 5 8 6
т Суммы V а. 1=1 51 24 29 26 16 36 58 48 L=36
Разно- т сти А,. = V а,. - Ь 1=1 15 -12 -7 -10 -20 0 22 12
А2 225 144 49 100 400 0 484 144 S=1546
Коэффициент конкордации равен:
^ 12-1546
W =
т2(k3 - k) 64 -504
= 0,58.
Оценивается значимость коэффициента конкордации по % - критерию Пирсона,
равному
х1„ = т(к -\)Ш =
= 32,21. т^ + 1) (10)
Табличные значения % критерия также значительно ниже полученнойвеличи-
2
ны %эксп =32,21, следовательно согласованность экспертов не является случайной, что позволяет сроить диаграмму рангов факторов по модулю помола (рисунок 3).
1 2 3 4 5 6 7 8
Рисунок 3 - Диаграмма рангов факторов по энергоемкости
Из приведенной диаграммы рангов можно сделать вывод о том, что для дальнейших экспериментальных исследований целесообразно отобрать такие факторы как: х5 - рабочая скорость молотков, м/с; х2 - подача, г/с;
х4 - скорость рабочей поверхности вальцов, м/с;
х3 - зазор между вальцами, мм;
х6 - количество пакетов молотков на барабане, шт.
Выделенные экспертами факторы управляемые, контролируемые и независимые достаточно полно согласуются с приведенными зависимостями, что позволяет планировать многофакторный эксперимент для выяснения их влияния на критерии оптимизации (энергоемкость и модуль помола), а также оценки влияния значимости взаимодействий, что позволяет приступить к математическому планированию многофакторного эксперимента по рабочей скорости молотков, зазору между вальцами, подачи, скорости рабочей поверхности вальцов, количеству пакетов молотков на барабане.
Попадание в первую пятерку одинаковых факторов с разными рангами позволяет решить компромиссную задачу энерготехнологической оптимизации двухступенчатого процесса измельчения зерна.
Аппроксимациярезультатов экспериментального определения зависимости коэффициента восстановления от относительной деформации зерновок (рисунок 4) подтверждает их функциональную связь и позволяет назначить диапазон зазора между вальцами х3 в полнофакторном эксперименте для обоих критериев оптимизации.
1,20
Й 1,00 К
м
о
£ 0,80
и
0,60
0,40
0,20
0,00
V -0,072х < 1,012
^ 0,94 2
0,1 ( 0,2 )тноептел 0,3 [ьшя деф 0,4 зрмация, 0,5 £
Рисунок 4 - График зависимости коэффициента восстановления от относительной
деформации
Из графика (рис. 4) видно, что момент разрушения зерновки ячменя находится в пределах 0,3-0,4 высоты зерновки, при этом коэффициент восстановления равен 0,7-0,8. Коэффициент корреляции в серии опытов составил R =0,942.
В лабораторных условиях исследовано влияние рабочего зазора на энергетику процесса «прокатывания» зерна пшеницы в диапазоне рабочих зазоров (0,5; 1,0; 1,5; 2,0) мм (рисунок 3) с последующим доизмельчением молотковым барабаном дробилки Ф-1М с частотой вращения для первого режима работы измельчителя 1350 об/мин, для второго - 1860 об/мин и тремя пакетами молотков.
0,5 1 1,5 2 Рабочий зазор, ш
Рисунок 5 - График экспериментальной зависимости мощности на прокатывание и
модуль помола
Рабочая скорость молотков составляла 33,75 м/с для первого режима измельчения и 45,75 м/с для второго. Модули помола представлены на графике (рисунок 5). При этом содержание фракции 0-0,25 мм в продуктах рассева находилось в диапазоне (0,55-4,13)% в за-
висимости от межвальцового зазора. При рабочем зазоре 0,5 мм мелкий помол (0,2-1,0) составил 20,8%. Приведенный график подтверждает функционально обратно пропорциональную зависимость мощности от рабочего зазора.
Ссылки на источники
1. Сысуев В.А. Концепция развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства Северо-Восточного региона Европейской части России на 2002.2010 гг. / В.А. Сысуев, В.И. Кряжков, В.И. Сыроватка и др. Киров, 2002. - 136 с.
2. Лачуга Ю.Ф. Стратегия Машинно-технического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции / Ю.Ф. Лачуга.//Техника в сельском хозяйстве, №1,2004.
3. Кормановский Л.М. Точные технологии в животноводстве: состояние и перспективы// Техника в сельском хозяйстве. 2004. №1. - с. 7-9
4. Ляпин В.В. совершенствование рабочего процесса ударно-центробежного измельчителя / Автореф. дис.... канд. техн. наук / Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки. - Воронеж, - 2009. - 18с.
5. Смышляев А.А. Совершенствование рабочего процесса центробежного измельчителя фуражного зерна: автореф. дис.. канд. техн. наук: 05.20.01. Б., 2002г. 23 с.
6. Долгов И.А. Математические методы в земледельческой механике / И.А. Долгов, Г.К. Васильев. - М.: Машиностроение, 1967. - 204 с.
7. Шкондин В.Н. Особенности деформации зерна рабочими органами измельчителей / А.М. Семенихин, Л.А. Гуриненко, В.В. Иванов, В.Н. Шкондин // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №03(097). -IDA [article ID]: 0971401003. - Режимдоступа: http://ej.kubagro.ru/2014/03/pdf/03.pdf, 0,938 у.п.л.
8. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - 2-е изд., перераб. И доп. - Л.: Колос. Ленингр. Отд-ние, 1980. - 168 с., ил.
Shkondin Vladimir
Lab assistant of the Department «Technologies and means of mechanization of agro- industrial complex»
Azov-Black Sea Engineering Institute FGBOU WO "Don State Agrarian University" in Zernograd
Justification Factor Model Of Two-Stage Grain Refiner Abstract. The article is devoted to the search for new technological methods of crushing of concentrated feed, which will help to significantly reduce the energy intensity of the process and improve the quality of the final product. The analysis of influence of parameters and modes of operation of crushing on his energy. Selected after the preliminary expert evaluation of the most significant factors affecting the quality and energy optimization criteria.
Keywords: visco-elastic properties of grain, energy consumption, milling module, a two-stage destruction of grain, grain refinement factors, multivariate experiment.
