Геометрические параметры рабочей зоны дисковой пары ступенчатого измельчителя зерна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕХАНИЗАЦИЯ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ЖИВОТНОВОДСТВА, РАСТЕНИЕВОДСТВА

УДК 636:664.73

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ДИСКОВОЙ ПАРЫ СТУПЕНЧАТОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА

© 2012 г. Л.А. Гуриненко, В.В. Иванов, А.М. Семенихин

Приведено описание геометрических параметров рабочего пространства дисковой пары ступенчатого измельчителя зерна, адаптированной к упруго-вязким свойствам зерновок основных кормовых культур. Предложены зависимости для определения размеров и профиля приемной зоны, согласования размеров приемного и выпускных окон, подачи дисковой пары, элементов геометрии радиальных и концентрических сечений.

Ключевые слова: деформация, сепарация, релаксация, угол подъема, градиент, подача, ступень.

The description of the working space geometrical parameters of the stepped grain shredder disk couple adapted for elastic and viscous weevil properties of the main forage crops are submitted. Relationships for determination of sizes and a profile of a reception zone, for coordination of receiving and outlet port sizes, feed of the disk couple; elements of geometry of radial and concentric sections are offered.

Key words: deformation, separation, relaxation, angle of elevation, gradient, feed, step.

Введение. Зерно кормовых культур -важнейшая составляющая кормового баланса во всех отраслях животноводства и птицеводства, так как содержит основные энергетические компоненты, обеспечивающие продуктивные и репродуктивные возможности в скотоводстве, свиноводстве, овцеводстве и птицеводстве.

Основная часть. В рационы зерно входит в измельченном, в соответствии с зоотребованиями, виде в соотношениях, определяемых биологическим состоянием и местом потребителя в технологическом цикле.

Измельчение зерна связано со значительными затратами энергии, выполняется в широком фракционном диапазоне, что предъявляет повышенные требования к со-

вершенствованию рабочих органов и машин, отвечающих современным требованиям энергосбережения [1, 2].

Рабочие органы измельчителей - это жернова, вальцы, пальцы, молотки, роторы и диски различной геометрии и другие. Время контакта рабочих элементов с зерновками некоторых из них составляет 3.. .7 микросекунд. Возникающие при этом напряжения превышают параметры механической прочности в разы и вызывают разрушения с выделением пыли, не предусмотренной требованиями к технологии.

За последние годы в России и за рубежом созданы и поставлены на серийное производство измельчители зерна производительностью от 250.500 кг/ч для малых предприятий до 2.20 т/ч и более для

крупных предприятий и комбикормовых заводов (табл.) [3].

Исследования физико-механических свойств зерновок продовольственных и кормовых культур, выполненные ранее, однозначно свидетельствуют о сложных зависимостях усилий от деформаций на различных стадиях и уровнях нагружений, указывающих на упруго-вязкие свойства материала. Эндосперм зерновок структурирован множеством ячеек, образующих

его скелет, заполненных крахмальными зернами, заключен в оболочку различной прочности. Элементы этой конструкции по-разному реагируют на величину и скорость внешних нагрузок, свидетельствующих об их упруго-вязкой природе.

Упругие деформации при этом занимают до 40% усилий, после чего возникают структурные изменения вязкого эндосперма, приводящие к их непропорциональному росту.

Характеристики некоторых дробилок различных типов

Наименование измельчителя Марка Производи- тельность, т/ч Установлен- ная мощность, кВт Удельная энергоем- кость, (кВт/ч)/т Масса, кг

1. Дробилки роторные ДКР - 0,5.. .4,0 ,7 ,5 0, 3, ,3 ,9 0, 1, 7,5.22,0 15.0 10.0 -

2. Дробилка молотковая вертикальная ДМВ -«Вента» 9.18 75.132 8,33.7,33 1500

3. Дробилка зерна пальцевая - 0,45.0,5 7,5 16.15 200

4. Дробилка дисковая Я.31.56 0,7 4,0 5,71 150

5. Молотковые дробилки А1-ДМР- 12; ДМР2Р-22 7,5.12 1,2.4 90.110 23 10,25 8,55 2500/ 2250 1080

6. Skiold (Дания) (дисковая) SK 2500 SK 5000 ,0 ,5 2, 13 ,5 8. 0, 2, 5,5 22,0 * 11.2,75 * 7,25.2,93 -

7. Skiold - Prof (Дания) Prof 10Т 6,8.13,5 55 * 8,08.4,07

* - содержание фракции диаметром менее 1 мм 50%, ячмень, пшеница, кукуруза.

Эти изменения академик П.А. Ребиндер оценивает как фазу предразрушения, связанную с нарушением целостности ячеистого скелета и появлением внутренних дефектов прочности [1, 2, 4].

При динамическом нагружении вязкий заполнитель оказывает значительно большее сопротивление разрушению, ко-

торое характеризуется коэффициентом динамичности, равным 1,6...2,0 и более. Скорость рабочих органов машин с динамическим режимом находится в диапазоне 55.75 м/с, универсальных - до 100 м/с. Сам процесс измельчения при этом сопровождается значительными вентиляционными сопротивлениями и сопутствующими

процессами, сопоставимыми с энергетикой самого измельчения.

Поиск путей снижения затрат энергии с учетом особенностей изучаемых материалов является актуальной задачей развития и совершенствования агроинженерных систем.

В основу разработки новых энергосберегающих процессов и рабочих органов для их осуществления должны быть положены следующие принципы:

- достижение технологического результата с минимальными удельными энергетическими характеристиками;

- сепарация продуктового потока, исключающая повторное и взаимное перетирание и деформацию частиц;

- сохранение достигнутой деформации путем релаксации предшествующей энергии в технологическую структуру без дополнительной деформации;

- промежуточное выведение кондиционных фракций из потоков продукта измельчения в технологическом канале;

- согласование, в соответствии с технологическим процессом, площадей сечений приемного и выпускного каналов.

Площадь сечения приемного канала дисковой пары включает (рис. 1) площадь кольца высотой к п и общую площадь подающих бороздок подвижного диска шириной В и глубиной к.

Рис. 1. Радиальное сечение дисковой пары: квк - высота верхнего приемного конуса; кнк - высота нижнего приемного конуса;

1; 2 - положение частиц в подающей бороздке; 3 - положение частиц в зоне релаксации; А-А - профиль зоны подачи; Б-Б - профиль модульной зоны

Р = 2яЯ к + Вк2 /2 (1)

п пр п • V1)

Здесь г - число бороздок, Япр - радиус приемного колодца, м.

Площадь сечения выпускного канала на расстоянии Ян от центра вращения диска составит:

Р = 2лЯ5м + вкгм /2 (2)

п нм м м 5 V /

где 8г - зазор между неподвижным

и подвижным дисками, соответствующий заданному модулю помола, м; гм - число модульных бороздок на обоих дисках;

Ян - радиус дисков, м.

Зерновка, попавшая на входе в положение 1 (дно бороздки), под действием центробежной силы перемещается в положение 2 и заклинивается в зоне деформации. Зерновка 3 в зоне удержания деформации перекатывается в положение дна бороздки и также отбрасывается от центра вращения в новое положение заклинивания и деформации со значительно меньшим зазором.

Для этого необходимо выполнить условие движения частиц и зерен по наклонной плоскости вверх (рис. 2) в приемный канал без перекатывания.

Рис. 2. К обоснованию геометрии и кинематики приемной зоны дисковой пары

Условие движения частицы вверх по учёта переносного движения в общем виде вращающейся наклонной плоскости без запишется:

2

шш2> mgsm2 + т£/соъа + тш ^п/$>та .

(3)

После упрощения имеем:

а

>

У

§(8Іпа + йо8а)

(4)

Кп(с™а- М™) •

Здесь / - коэффициент трения продукта о диск; а - угол подъема подающей бороздки; Ятт - радиус приемного отверстия.

Из соотношения (4) следует, что существует а, когда а ^ да - транспортирование продукта по рабочему зазору дисков отсутствует. Тогда сам угол достаточно выбирать из геометрических соображений построения зон транспортирования, деформации, сепарирования и релаксации

при минимальном значении а, удовлетворяющем условию (4) •

Входное и выходное сечения также должны быть согласованы таким образом, чтобы подача в произвольном сечении междискового пространства оставалась постоянной или незначительно возрастала, а зона удержания деформации (релаксации) расширялась с постоянным градиентом для сепарации потока и распределения его частиц в соответствующих их размерам пространствах по условию

РпУ, А^П < РУеР,, (5)

в котором: Уп, Ув - соответственно скорости входа и выхода продукта, м/с; рп, р. -плотность исходного и измельченного продукта, кг/м ; ^ - коэффициенты

заполнения впускного и выпускного сечений.

Чередование зон деформации, удержания и переходов между ними должно происходить в режиме постепенного ступенчатого нарастания дефектов прочности, не вызывающих динамических сопротивлений вязкой составляющей зерновок (рис. 3).

Рис. 3. Концентрические сечения междискового пространства

В зонах деформации В (рис. 3) абсолютная скорость ее нарастания равна:

У3к = &$ ятр (6)

&, = К -

Здесь Я, - радиус концентрической окружности, на котором находится зерновка или ее частицы; а и в - соответственно углы подъема поверхности подающей зоны и дна бороздок.

Величина абсолютной деформации зерновок от вхождения в приемный пояс до входа в модульный должна обеспечивать их предварительное разрушение на частицы, приведенный диаметр которых менее (Зм+2Им) (рис. 1). Тогда в модульном поясе происходит выравнивание размеров частичек до величины ём. Частицы размером < ём центробежными силами выводятся

а максимальное значение абсолютной деформации при выходе частицы в зону ее удержания А (релаксации) будет равно глубине бороздки, соответствующей ее удалению от центра диска

(Код - Ц )зіп« . (7)

из пояса выравнивания, попадают на решетный сепаратор и выводятся проходом из продуктового потока.

Частицы большего диаметра & > &м сходят с плоскости решетного сепаратора и направляются на вторую ступень доиз-мельчения, зазор между дисками которой = дм - Ьм. При этом время от выхода частиц из первой ступени до входа во вторую должно быть меньше времени восстановления деформаций предразрушения, полученных в первой ступени.

Конструкция междискового пространства в концентрических и радиальных

сечениях обеспечивает равномерное нарастание деформации и дефектов разрушения, адаптированное к упруго-вязким свойствам зерновок кормовых культур [4], и сниже-

ние энергоёмкости процесса в 1,3—1,4 раза в зависимости от степени измельчения X и числа ступеней.

Рис. 3. Дисковый измельчитель зерна (двухступенчатая модель):

1 - бункер; 2 - верхняя опора; 3 - первая дисковая пара; 4 - решётка сепаратора;

5 - первая скатная доска; 6 - вторая дисковая пара; 7 - вторая скатная доска; 8 - нижняя опора; 9 - регулирующее устройство; 10 - привод; 11 - рама; 12 - продуктопровод;

13 - выводящий канал

Последовательность перехода продуктов измельчения в рабочих поясах дисковых пар обеспечивается их геометрическими параметрами в отношении 1:Х:Х .

Последовательность переходов продуктов измельчения без заторов между рабочими поясами и их элементами обеспечивается соотношением площадей последующего и предыдущего, равным степени измельчения.

Величина измельчения определяется в зависимости от модели измельчителя, числа ступеней и места в линиях приготов-

ления кормов. Размеры площадей элементов дисков определяются по формулам:

- бороздок подающего пояса

>2 г>2

F,

5 (Я +1) ; (8)

- классификаторов (площадок релак-

сации)

F тт(Я2М - Я2)Я я

Р (Я +1) !

модульного пояса

Рм =^в + Рр )Л.

(9)

(10)

При этом радиусы диска Я, модульного Ям и подающего Яо связаны зависимостью

R =

І

R 1(іЛ + Л2 +1) - Rq (Л + Л2)

Л +1

Для одноступенчатых моделей измельчителей, работающих в поточных технологических линиях с постоянным модулем измельчения меньшим 1,0, радиус дисков следует увеличить с учётом отклонения от верхней границы. При различных степенях измельчения на переходах между поясами в зависимостях (9) и (10) следует подставить Хі и Х2 соответственно.

Заключение. Для согласования сечений впускного и выпускного каналов дисковой пары, зазоров между ними, времени нахождения частичек в зонах подачи и модульной, перехода продуктов измельчения к последующей паре требуется определить упруго-вязкие характеристики зерновок основных кормовых культур и соотношения зон, рациональных кинематических параметров подвижного диска, удельной производительности и энергоёмкости.

(11)

Литература

1. Сыроватка, В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах / В.И. Сыроватка. - Москва: ГНУ ВНИИМЖ, 2010. - 248 с.

2. Смирнов, И.И. Машины для животноводческих ферм: теория, конструкция, расчет / И.И. Смирнов. - Москва: МАШГИЗ, 1959. - 359 с.

3. Механизация животноводческих ферм / С.В. Мельников, Б.И. Вагин, П.А. Андреев и др. - Москва: Колос, 1969. - 440 с.

4. Сельскохозяйственная техника: Кат., т. 4 «Техника для животноводства».

- Москва: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 336 с.

5. Коваленко, В.П. Механизация технологических процессов в животноводстве / В.П. Коваленко, И.М. Петренко.

- Краснодар: Агропромполиграфист,

2003. - 432 с.

Сведения об авторах

Гуриненко Людмила Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры физики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Иванов Вячеслав Владимирович - аспирант Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Семенихин Александр Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры механизации и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Information about the authors

Gurinenko Lyudmila Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the physics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Ivanov Vyacheslav Vladimirovich - post-graduate student, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Semenikhin Alexander Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the mechanization and production technology and processing of agricultural production department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).