CC BY
3
Alexey A. Petrov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf34@orensau.ru
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, shahov-v@yandex.ru
Denis V. Naumov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. The Orenburg Institute of Railways is a branch of the Samara State University of Railways. 460004, Orenburg, 28/1 - 28/2, Br. Korostelev Ave., naumov3091@mail.ru
Alexey N. Kondrashov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kondrashov_79@mail.ru
Nina K. Komarova, Doctor of Agriculture, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St.,
Orenburg, 460014, Russia, kafedrafiziki@bk.ru
-♦-
Научная статья
УДК 631.363.21
doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-162-166
Энергосберегающий способ ударного измельчения зерновых материалов
Хамза Сартаевич Кукаев, Евгений Михайлович Асманкин, Юрий Андреевич Ушаков,
Владимир Александрович Шахов, Альфия Фагитовна Абдюкаева
Оренбургский государственный аграрный университет
Аннотация. В статье рассмотрены основные недостатки машин, использующих ударное измельчение зерна. Цель исследования - снижение удельной энергии дробления и повышение производительности измельчителя. В соответствии с целью предлагается способ ударного дробления зерновых продуктов, заключающийся в заданном количестве последовательных ударных воздействий на материал с одинаковой необходимой скоростью. Все удары должны быть центральными с малыми временными промежутками между ними, а трение материала о рабочие элементы камеры в зоне дробления отсутствует. Приводится конструктивно-технологическая схема измельчителя, реализующая указанный способ. Найдены выражения для расчёта некоторых конструктивных параметров измельчителя, а так же выполнена предварительная оценка производительности машины.
Ключевые слова: измельчитель зерна, способ, конструктивная схема, расчёт.
Для цитирования: Энергосберегающий способ ударного измельчения зерновых материалов / Х.С. Кукаев, Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 162 - 166. doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-162-166.
Original article
Energy-saving method of impact milling for cereals
Khamza S. Kukayev, Evgeny M. Asmankin, Yuriy A. Ushakov,
Vladimir A. Shakhov, Alfiya F. Abdyukaeva
Orenburg State Agrarian University
Annotation. The article discusses the main disadvantages of machines using impact milling for cereals. The purpose of the study is to reduce the specific crushing energy and increase the productivity of the grinder. In accordance with the goal, a method of impact crushing of grain products is proposed, which consists in a given number of successive impacts on the material at the same required speed, and all the impacts must be central with small time intervals between them, and there is no friction of the material against the working elements of the chamber in the crushing zone. The design and technological scheme of the grinder is presented, which implements the specified method. Expressions are found for calculating some design parameters of the mill, as well as a preliminary assessment of the performance of the machine.
Keywords: grain mill, method, design scheme, calculation.
For citation: Energy-saving method of impact milling for cereals / K.S. Kukayev, E.M. Asmankin, Yu.A. Ushakov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89 (3): 162 - 166. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-08532021-89-3-162-166.
Одним из важных этапов в производстве комбикормов является дробление зерновых материалов. Увеличение суммарной площади измельчённых частиц зерна способствует хорошей усвояемости питательных веществ в пищеварительном тракте животного. Согласно зоотехниче-
ским требованиям размеры частиц корма должны находиться в определённых пределах [1].
Среди измельчителей наибольшее распространение получили машины ударного действия. В них разрушение зерновки происходит под действием свободного удара рабочими органами
машины, а так же удара и истирания о неподвижную деку. В молотковых дробилках материал подаётся в рабочую камеру и двигается в кольцевом воздушном потоке, создаваемом ротором. Испытывая удары молотков, материал отбрасывается на неподвижную деку и разрушается.
Основными достоинствами молотковых дробилок является простота конструкции, ремонтопригодность, высокая производительность и надёжность. Существенным недостатком дробилки закрытого типа является длительное время нахождения продукта в рабочей камере. Так, по данным С.В. Мельникова, для получения дерти среднего размера требуется несколько секунд циркуляции материала в зоне действия молотков [2]. По сравнению со временем, которое требуется для разрушения зерновки (длительность одного удара - 10-6 с), это много. В основном эта проблема связана с уменьшением живого сечения сита, отверстия которого забиваются крупными непроходными частицами. В результате происходит несвоевременная эвакуация готовой фракции, что ведёт к переизмельчению продукта, снижению производительности и повышению энергозатрат.
Другой проблемой является неэффективность ударных воздействий на материал рабочими органами молотковой дробилки. С точки зрения механики, наибольшее разрушение происходит при центральном ударе, когда вектор относительной скорости тела почти перпендикулярен поверхности соприкосновения соударяющихся тел. Столкновение зерновки с молотками и неподвижной декой происходит, как правило, под различными углами. Это обусловлено случайным перемещением частиц в пределах воздушно-продуктового слоя, а также наличием зазора между концами молотков и декой [3, 4].
Кроме того, движение воздушно-продуктового слоя, вызванного вращением ротора дробилки, снижает относительную скорость соударения молотка и зерновки, скорость которой может достигать половины окружной скорости молотка. Для нивелирования этого недостатка увеличивают скорость вращения ротора, однако такой способ ведёт к повышению расхода энергии и ускоренному износу деталей конструкции. Указанные выше недостатки также присущи и дробилкам открытого типа [4]. Отдельно стоит отметить повышение удельной энергии дробления вследствие непроизводительного ускорения зерноматериала в камере дробления, рассчитанного в работе [5].
Альтернативой молотковым дробилкам являются ударно-центробежные дробилки. В них сырьё подаётся в центр горизонтально расположенного разгонного диска, захватывается лопатками, разгоняется и отбрасывается на отбойную плиту. При этом скорость схода материала с диска может достигать почти двух окружных скоростей ротора. К недостаткам такого типа дробилки
относятся потери механической энергии при трении сырья о разгонные лопасти. К тому же для ускорения материала перед первым ударом необходимо затрачивать энергию.
Существуют различные технические решения указанных проблем: переход от механической сепарации (сита) к безрешётным методам; корректировка траектории воздушно-продуктового слоя; оптимизация аэродинамического режима внутри рабочей камеры; совершенствование конфигурации ударных и отбойных элементов дробилки [6 - 9].
Цель исследования - снижение удельной энергии дробления и повышения производительности измельчителя зерна.
В соответствии с поставленной целью предлагается способ ударного дробления зерновых продуктов и устройство для его осуществления.
Материал и методы. Предлагаемый способ дробления заключается в заданном количестве последовательных ударных воздействий на материал с одинаковой необходимой скоростью, причём все удары должны быть центральными с малыми временными промежутками между ними, а трение материала о рабочие элементы камеры в зоне дробления минимизировано.
Предлагаемый способ может быть реализован устройством (рис. 1, 2), содержащим: загрузочный бункер 23, установленный на крышке 4 рабочей цилиндрической камеры 20, корпус центробежного вентилятора 11, соединённого патрубком 8 с коробом воздушного сепаратора 1. В нижней части рабочей камеры 20 равномерно закреплены противоударные пластины 18, на которые
Рис. 1 - Устройство экспериментальной дробилки зерна
сверху устанавливаются конфузор 7 и секционные делители 6 над каждой противовоударной пластиной 18. К ним в свою очередь крепится неподвижный распределитель 5 с конической поверхностью, а под его основанием находится цилиндрический ротор 9 с билами 19. Внутренний профиль противоударной пластины 18 в точности соответствует форме била 19, с минимальным зазором между ними. Днище рабочей камеры посредством конфузора 17 соединено с корпусом центробежного вентилятора 11, лопасти 10 которого крепятся к сплошному диску.
Ротор 9 приводится во вращение электродвигателем 16 через клиноременный вариатор 15 и вал 13, одновременно передающий крутящий момент на центробежный вентилятор 11, предназначенный для создания воздушного потока в наклонном коробе воздушного сепаратора 1, имеющем по внутреннему скату щели-уловители 3 и обратный канал 2, обеспечивающий сообщение внутреннего пространства эвакуационного короба 1 с рабочей камерой 20 для возврата некондиционных частиц на доизмельчение при перемещении готового продукта к выгрузному окну 24.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В рабочем режиме измельчителя зерно из загрузочного бункера 23 посредством дозатора 22 подают в рабочую камеру 20 на коническую поверхность неподвижного распределителя 5, по которой оно свободно перемещается к ударным элементам 19, равномерно группируясь в рабочих секторах, образованных секционными распределителями 6. Попадая в зону действия бил 19, зерновка получает центральный удар, после которого она или её части отбрасываются к отбойным пластинам и испытывают вторичный центральный удар такой же интенсивности, после которого скорость измельчённых продуктов гасится практически до нуля.
Далее продукты измельчения через конфузор 17 свободно падают на поверхность вращаю-
А - А
щегося диска вентилятора 11, разбрасываются центробежной силой к периферии корпуса вентилятора, где, подхватываясь воздушным потоком, создаваемым лопастями 10, подаются через патрубок 8 в короб воздушного сепаратора 1.
Воздушный напор центробежного вентилятора 11 регулируется таким образом, что обеспечивается удаление из короба воздушного сепаратора 1 кондиционных частиц переработанного сырья в выгрузное окно 24. Более тяжёлые частицы теряют кинетическую энергию, не покидая пространство короба воздушного сепаратора 1. Они оседают на его внутреннем скате, гравитационно перемещаясь к щелям-уловителям 3, где попадают в обратный канал 2 вместе с витающей фракцией, если таковая образуется, и перемещаются в рабочую камеру 20 для повторного измолота.
В целях способствования быстрому отводу материала из зоны дробления противоударным пластинам 18 можно придать небольшой наклон относительно оси ротора так, что после отскока от них материал приобретёт составляющую скорости в направлении конфузора 17.
Размеры противоударных пластин 18 и частота их расположения должны соответствовать идее предлагаемого способа.
Диаметр проёма между конфузором 17 и корпусом вентилятора 11 выбирается таким, чтобы давление воздуха в рабочей камере не превышало давления в коробе воздушного сепаратора 1.
Тандем из бил 19 и соответствующих им противоударных пластин 18 образует ударно-отражательную пару для осуществления указанного способа. В устройстве при необходимости можно реализовать два и более ударно-отражательных пар, последовательно установленных вдоль оси ротора и разделённых между собой конфузорами. Установка конфузоров требуется для направления материала в зоны действия бил.
Известно, что вероятность разрушения зерна однозначно определяется скоростью ударного воздействия. Так, например, в исследованиях С.В. Мельникова установлено, что при скорости 26,1 м/с разрушается 18 % зёрен ячменя [2]. Тогда, задавая необходимую окружную скорость бил и количество ударов, можно заранее определить долю нераздробленных зерновок и оценить общую долю возвращаемого сырья для доизмельчения. Если скорость била соответствует 60%-ной вероятности разрушения зерновки, то после прохождения материала через одну ударно-отражательную пару будет разрушено 84 % зерновок (60 % - после первого удара, еще 24 % - после второго). Следовательно, доля возврата сырья в рабочую камеру для доизмель-чения составит 16 %.
Как видно из расчётов, приведённых в таблице 1, при скорости била, соответствующей
70%-ной вероятности разрушения зерна, вполне достаточно одной ударно-отражательной пары, поскольку доля возврата сырья не превышает 9 %.
1. Доля возврата сырья для доизмельчения при различных параметрах дробления
ротора R = 0,25 м. Тогда ю = 50 / 0,25 = 200 рад/с. Подставим данные в выражение (1) и вычислим ширину била, приняв количество бил N равным 4:
2nv 2 • 3,14 • 2,4
Число ударно-отражательных пар Доля возврата при различных вероятностях разрушения зерновок, %
50 60 70
1 (2 удара) 25 16 9
2 (4 удара) 6,3 2,6 0,8
= 0,019 м.
Результаты исследования. Форма бил ротора представляет собой параллелепипед. Найдём выражения для расчёта его параметров. Пусть Я - радиус ротора, I - длина била. При вращении ротора точки била, наиболее удалённые от оси вращения, будут двигаться с большей скоростью, чем точки, которые ближе к оси. Разница скоростей не должна быть больше 5 %, иначе энергия удара в разных точках била будет заметно отличаться. Тогда получим следующую связь: I = 0,05 ■ 0,25.
При радиусе ротора 0,25 м длина била составит I = 0,05 ■ 0,25 = 0,0125 м (1,25 см).
Определим ширину била Ь. Пусть уз - скорость падения зерновки при подлёте к билам, ю - угловая скорость ротора, N - количество бил на роторе. Предположим, что на роторе установлен один-единственный бил. Условием гарантированного удара билом по зерновке во время её прохождения через зону удара является условие tп > Т, где tп - время пролёта зерновки ширины била, Т - время одного оборота ротора, т.е. период вращения. Если ротор имеет N бил, тогда условие примет вид: tп > Т / N.
Время пролёта определится выражением: Ь
tп = —. Период вращения ротора выразим через
V ^ 2п
угловую скорость Т =—. Получим следующее
выражение: а
Ь > 2л.
Выразим ширину била Ь:
Ь > (1)
Как видно из последнего выражения, ширина каждого била зависит от их количества.
Скорость падения зерновки уз рассчитаем исходя из высоты дозатора над ротором = . Примем h ~ 0,3 м, тогда = -у/2• 9,8• 0,3 = 2.4.
Угловая скорость ротора определяется его радиусом и требуемой окружной скоростью бил:
V
а = —. Пусть скорость бил V = 50 м/с, радиус г
b >
raN 200 • 4
Таким образом, ширина била при данных параметрах должна быть не менее 1,9 см.
Расчёты показывают, что зона дробления ограничена тонким кольцевым пространством между корпусом рабочей камеры и цилиндрическим ротором, а ширина ударно-отражательной пары равна примерно 4 - 5 см. Из этого следует отметить, что поскольку основное пространство рабочей зоны камеры дробления занято герметичным полым цилиндром ротора, то основная масса воздуха находится внутри ротора и вращается с ним как единое целое, что предотвращает нецелесообразные гидравлические потери на трение.
Выполним оценку производительности устройства. Предположим, что продукты измельчения покидают зону дробления со скоростью подлёта зерновок к билам уз = 2,4 м/с. Предположим также, что в каждую секцию, образованную делителями 21, падает по одному зёрнышку. Пусть количество секций k = 24. Тогда в единицу времени через всё рабочее сечение дробилки пройдёт n зёрен:
„ = ^ = 242'4М/С=3032. Ь 0,019 м
Рассчитав производительность измельчения, получим: Mt = 3600 • nm, где m - средняя масса одного зерна. Для пшеницы m ~ 3,5-10-5 кг, тогда Mt = 3600 • 3032 • 3,5 • 10-5 = 382 кг.
Данная оценка была сделана для минимального потока зёрен (по одной в каждую секцию), в реальности производительность дробилки даже с учётом возврата части продукта на доизмельче-ние может быть выше в 3 - 4 раза (при радиусе ротора 0,25 м).
Выводы. Предложенный способ эффективного ударного измельчения отличается отсутствием потерь механической энергии на трение и нецелесообразного ускорения сырья в зоне дробления. Для обоснования конструктивных параметров противоударных пластин, элементов сепарационного короба, выбора оптимальных технологических режимов работы измельчителя требуются дальнейшие исследования.
Литература
1. Бабич A.A. Животноводство: проблема кормов. М.: Знание, 1991. 64 с.
2. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с.
3. Пути развития машин для измельчения зерновой массы / Е.М. Асманкин, А.А. Петров, А.Ф. Абдюкаева [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (64). С. 79 - 82.
4. Искендеров Р.Р., Лебедев А.Т. Молотковые дробилки: достоинства и недостатки // Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 1 (17). С. 27 - 30.
5. Кукаев Х.С., Асманкин Е.М., Ушаков Ю.А. Кинетика измельчаемого материала в процессе его взаимодействия с элементами рабочей камеры дробилки ударного типа // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: матер. междунар. науч.-практич. конф. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2021. С. 64.
6. Пат. RU 173 615 B02C 13/13. Дробилка зерна / Е.М. Асманкин, Д.В. Наумов, А.А. Петров, Ю.А. Ушаков, В.Е. Медведев; опубл.: 04.09.2017; Бюл. № 25.
7. Устройство для управления ВПП в дробилках зерна молоткового типа / Д.В. Наумов, В.А. Шахов, А.П. Козловцев [и др.] // Совершенствование инженерно-
технического обеспечения производственных процессов и технологических систем: матер. междунар. науч.-практич. конф. / отв. ред. Ю.А. Ушаков. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2017. С. 89 - 93.
8. Кинематические и динамические аспекты взаимодействия ингредиентных частиц с функциональными элементами рабочей камеры измельчителя зернового материала / Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков, В.А. Шахов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (65). С. 87 - 89.
9. Анализ функциональной специфики дробильных устройств с боковым расположением выгрузных зон / В.А. Шахов, Ю.А. Ушаков, А.А. Петров [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 181 - 185.
Хамза Сартаевич Кукаев, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kxamza@mail.ru
Евгений Михайлович Асманкин, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, aem50@mail.ru
Юрий Андреевич Ушаков, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, 1u6j1a159@mail.ru
Владимир Александрович Шахов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, shahov-v@yandex.ru
Альфия Фагитовна Абдюкаева, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, alfa2712@mail.ru
Khamza S. Kukayev, postgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kxamza@mail.ru
Evgeny M. Asmankin, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, aem50@mail.ru
Yuriy A. Ushakov, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, 1u6j1a159@mail.ru
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, shahov-v@yandex.ru
Alfiya F. Abdyukaeva, Сandidate of Engineering Sciences, Assistant Professor. Orenburg State Agrarian
University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, alfa2712@mail.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.365.22
Анализ и результаты теоретических исследований адаптации солнечного энергокомплекса
Борис Викторович Жеребцов, Александр Константинович Пейль
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. В статье рассматриваются результаты расчёта параметров солнечного энергокомплекса. Сформулированы и выделены основные тезисы, позволяющие его эффективное использование в условиях климата юга Тюменской области. В работе рассмотрен энергокомплекс малой мощности, основные характеристики которого позволяют использовать его локально, в производственных организациях средних размеров и на сельскохозяйственных предприятиях. Главным элементом энергокомплекса является генератор с паровой турбиной. Выбор был остановлен на турбоагрегате производства компании ООО «ГК ТУРБОПАР» с номинальной мощностью 250 - 400 кВт. Произведён расчёт параметров энергокомплекса, выведены все количественные и качественные показатели основных элементов системы, выбора материалов и конструкции энергоблока. Исследована эффективность предложенных решений согласно методике. Сделан вывод о высокой технической эффективности проекта и о рациональности использования предложенной системы в условиях климата юга Тюменской области.
Ключевые слова: солнечный энергокомплекс, генератор с паровой турбиной, адаптация, анализ. Для цитирования: Жеребцов Б.В., Пейль А.К. Анализ и результаты теоретических исследований адаптации солнечного энергокомплекса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 166 - 173.
