CC BY
109
УДК 633.1
Исследование энергосберегающего метода разрушения зерна
Острецов Владимир Николаевич, доктор экономических наук, профессор e-mail: lugovaya22@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н. В. Верещагина»
Сухляев Владимир Александрович, магистрант e-mail: 227804@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В.Верещагина»
Аннотация: освещена проблема исследования процессов разрушения кормов различными рабочими органами. Предлагается устройство для проведения исследований и определения эффективности выбранного метода разрушения зерна. Данное устройство может применяться в технологиях приготовления и подготовки кормов к скармливанию.
Ключевые слова: зерно, нож, резание, раскол.
Подготовленный для скармливания сельскохозяйственным животным корм должен отвечать зоотехническим требованиям, указанным в соответствующих стандартах или технических условиях на корма. [6]
В технологии приготовления кормов одним из важных процессов является измельчение, обусловленное требованиями физиологии кормления животных, что способствует ускорению процессов пищеварения и повышению усвояемости питательных веществ.
Основным оборудованием для измельчения зерна в комбикормовой промышленности и хозяйствах являются молотковые дробилки.
С целью изыскания путей снижения энергоемкости процесса измельчения, улучшения качества готового продукта и совершенствования конструкции молотковых дробилок проведено большое количество исследований [1, 5, 9, 10], указывающих на то, что из-за малой эффективности удара, разрушение зерна происходит при многократном ударно-истирающем воздействии. Это приводит к большим затратам энергии и перетиранию частиц. Высокая скорость кольцевого воздушнопродуктового слоя, образующегося в дробильной камере, равная примерно половине окружной скорости молотков, отрицательно влияет на своевременное удаление продукта из дробильной камеры, что также способствует переизмельчению материала и, как следствие, отрицательно воздействует на продуктивность животных, а также приводит к повышенному расходу энергии.
Анализ современных конструктивно-технологических схем молотковых дробилок отечественного и зарубежного производства, результаты исследований, свидетельствуют о том, что значительно повысить эффективность рабочего процесса молотковых дробилок можно лишь за счет применения энергосберегающего способа разрушения зерна в сочетании с увеличением просеваемости решета и контроля величины получаемых частиц [1-4, 6, 7, 11].
Основной целью настоящей работы является разработка и исследование способа измельчения, обеспечивающего эффективное разрушение зерна, за счет использования менее энергоемкого способа воздействия на материал резания или скалывания в сочетании с ударом и своевременного удаления готового продукта из камеры измельчения, за счет центробежных сил; оптимизация параметров машины для разрушения зерна и применение для кормоприготовительных цехов животноводческих ферм и технологических линий комбикормовых агрегатов.
В соответствии с целью, поставлены следующие задачи исследований: исследовать процесс разрушения зерновки под действием концентрации силы приложенной клиновидным рабочим органом; контроля величины получаемых частиц; оценить энергетическую эффективность установки.
Физико-механические и технологические свойства кормов и кормовых материалов существенно влияют на выбор режимов технологических процессов, определяют тип и параметры рабочих органов, способы разрушения материала, для получения наименьших напряжениях и затрат энергии. В этом отношении раскалывание, истирание или резание представляется более выгодными, так как разрушающие напряжения скалывания (т аз ), меньше нормальных напряжений (а аз ). (табл. 1)
Таблица 1. Разрушающие усилия для целых зерен пшеницы [9]
Пшеница Влажность,% Разрушающие усилия, мн/м3
разр сжатие т разр. скалывание Р рез резание
Твердая 13,1 11.7 9,2 7,9
Мягкая со стекловидным эндоспермом 13,7 9,0 7,8 5,3
Мягкая с мучнистым эндоспермом 14,3 6,2 5,0 3,2
Опираясь на следующие утверждения [1, 5, 7 - 10]:
- при динамическом нагружении материалов возникающее напряжение значительно больше, чем при статическом;
- эффективность измельчения зависит, при прочих равных условиях, от продолжительности приложения внешней силы и температуры тела;
- скорость приложения нагрузки способствует хрупкому разрушению материалов так же, как и при понижении температуры.
Можно предположить, что разрушающие усилия резанием в динамике значительно уменьшаются.
Необходимо также отметить, что качество измельченного материала резанием должно улучшаться за счет равномерности отрезаемых частиц и снижения пылевидной, мучнистой фракции, так как при резании отсутствует элемент истирания. Резанием можно тонко регулировать степень измельчения зерна.
Из изложенного следует, что исследования в области измельчения фуражного зерна резанием представляют большой интерес, а применение измельчающих машин, работающих по принципу резания, для этих целей перспективно.
Каждый вид измельчения осуществляется определенным типом измельчителей, которые охватывают большую группу машин, отличающихся конструктивным исполнением и схемой организации рабочего процесса.
В измельчителях с ножевыми рабочими органами отсутствует элемент истирания, продукт измельчается на частички определенного размера. В измельчителях, работающих по принципу резания, продукт не нагревается, как в других измельчителях, что значительно снижает энергоемкость. Однако использовать такие измельчители без изменения их конструкции для измельчения зерна, весьма затруднительно. Для решения этой задачи необходимы теоретические и экспериментальные исследования в совокупности с уже имеющейся информацией в области измельчения.
Резание сельскохозяйственных материалов является одним из видов измельчения, подчиненных общим законам разрушения материалов под действием внешних сил. Однако процесс резания имеет свои особенности, отраженные в теории резания. Данная теория рассматривает в основном два комплекса вопросов. Один из них включает вопросы, составляющие основу теории процесса резания как такового и касающиеся определения величины сопротивления и энергозатрат при резании. Другой комплекс вопросов связан с конструкцией режущих аппаратов [1-4, 6, 7, 11].
Основоположником теории резания сельскохозяйственных материалов является В. П. Горячкин. Дальнейшим развитием теории занимались В. А. Желиговекий,
Г. И. Бремер, А. Н. Карпенко, М. П. Горбунов, М. В. Сабликов, Н. Е.Резник и др. [1,
2, 8, 10].
При резании лезвием материал разрушается в основном под действием давления непосредственно самой вершины двухгранного угла рабочей части ножа, называемой лезвием. По линии контакта лезвия со слоем перерезаемого материала возникают весьма высокие контактные (местные) нормальные разрушающие напряжения. В этом случае грани клина, называемые фасками, существенного влияния на процесс резания не оказывают, а сам процесс резания происходит без снятия стружки.
В работах [8] аналитически и экспериментально показано, что в технологическом процессе резания решающее значение имеет скользящее движение ножа; оно уменьшает потребное для процесса резания нормальное давление ножа на материал и дает более чистый срез. В. П. Горячкин установил зависимость нормального давления, необходимого для проникновения лезвия в разрезаемый материал, от его скользящего перемещения по материалу.
Исходя из изложенного, промежуточной целью настоящего исследования было получить гранулометрический состав фуражной муки, отвечающий зоотехническим требованиям; снизить удельные энергозатраты и металлоемкость измельчителя зерна.
Для исследования ряда зависимостей были разработаны частные методики, по которым определялись физико-механические свойства измельчаемого материала. При проведении опытов использовались виды и сорта зернового материала, наиболее распространенные для кормления сельскохозяйственных животных и птицы: Сонет, Заозерский 85, Выбор, Отра.
При проектировании измельчителя чрезвычайно важно, что практическое применение основывается на зависимостях работы резания от геометрических параметров рабочих органов и от скорости резания.
Несмотря на то, что проведено большое количество исследований по изучению механических свойств зерна при статическом нагружении, этого оказалось недостаточно для представления более полной картины взаимодействия измельчаемого материала с режущим элементом (резцом). Поэтому нами были проведены исследования по определению зависимости работы резания от угла резания (а) при статическом нагружении.
Для исследования процесса резания разработана и изготовлена установка, включающая в себя клин с различными углами заточки, прибор для регистрации взаимодействующей силы между зерном и клином, устройство для внедрения клина в зерно и устройство для фиксации зерна. Схема установки представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема установки испытания зерен ячменя 1 - индикатор часового типа; 2 - предметный столик; 3 - датчики; 4 - основание; 5 - шток подвижный; 6 -пружина; 7 - стержень со сменным рабочим органом; 8 - кронштейн; 9 - шток выдвижного механизма; 10 -
ручка привода винтового механизма.
Данная система позволяет определять усилие резания зерна клином.
Внедряя в зерно клин по 0,01 мм или более, и фиксируя показания датчиков, получили диаграмму резания (рис. 2) и по площади диаграммы определили работу (аизм), затраченную на отрезание одной частицы:
где I - величина внедрения, м;
Р - показания прибора, кг;
Кп - коэффициент, тарировки.
Зная количество отрезаемых частиц п, определяется общая работа, затраченная на измельчение одного зерна
где аизм ср - средняя работа, затраченная на отрезание одной частицы зерна, Н*м; 1З - длина зерна, м;
£> - длина отрезаемой частицы, м.
_ СХИЗМІ ”1“ ^изи2”1"" ^^изня) аизнср — ~
Рг, Н
30
28
26
21
22
20
18
16
и
12
Ю
8
6
4
2
;
/
/
/ !
(
)
/
ч Ч
0,2 0,4 0.6 О.в \0 1.2 и 1.6 1.8 2.0
Ь. мп
Рисунок 2. Фрагмент диаграммы резания (ячмень: влажность 13,6%; 1вн = 0,05 мм; а р=36°)
На основании полученных результатов резания при статическом нагружении, были построены графические зависимости работы резания одиночных зерен от угла резания рис. 3.
А изп Н *п
/
/
/
2
3 ,
18 36 51 72 %
Рисунок 3. Зависимость работы измельчения одиночного зерна от угла резания при статическом нагружении (1- S = 0,38 мм, 2 - S = 1,11 мм, 3 - S = 2,35 мм)
Анализируя полученные зависимости работы измельчения одиночного зерна А изм , при статическом нагружении от угла резания (а рез),приходим к выводу, что работа измельчения, а соответственно и затраты энергии минимальны при значениях угла резания (а рез = 18°...36°), а затем идет значительный рост до максимума при (а рез = 90°).
Список литературы:
1. Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н. Е. Резник. - М. : Машиностроение, 1975. - 311 с.
2. Мельников, С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм / С. В. Мельников. - М. : Колос, 1978. - 560 с.
3. Алешкин, В. Р. Механизация животноводства / В. Р. Алешкин, П. М. Рошин ; под ред. С. В. Мельникова. - М. : Агропромиздат, 1985. - 336 с.
4. Карташов, Л. П. Механизация и электрификация животноводства / Л. П. Карташов. - М. : Агропромиздат, 1987. - 480 .
5. Сыроватка, В. И. Методика проведения испытания машин для измельчения кормов / В. И. Сыроватка, И. В. Алябьев. - М. : Отдел внедрения и информации ВНИИЭСХ, 1969. - 79 с.
6. Кулаковский, И. В. Машины и оборудование для приготовления кормов : Справочник: В 2 ч. Ч. 1 / И. В. Кулаковский, Ф. С. Кирпичников, Е. И. Резник. - М. : Россельхозиздат, 1987. - 285 с.
7. Кукта, Г. М. Технология переработки и приготовления кормов / Г. М. Кукта
- М. : Колос, 1978. - 240 с.
8. Горячкин, В. П. Собрание сочинений / В. П. Горячкин. - М., 1968. - Т. 3. -384 с.
9. Гиршсон, В. Я. Экспериментальные исследования процессов технологии измельчения зерна / В. Я. Гиршсон. - М. : Заготиздат, 1949. - 152 с.
10. Желиговский, В. А. Экспериментальная теория резания лезвием / В. А. Же-лиговский. - Тр. МИМЭСХ, вып.9. - М., 1940. - 27 с.
11. Жислин, Я. М. Оборудование для производства комбикормов, обогатительных смесей и премиксов / Я. М. Жислин. - М. : Колос, 1981. - 320 с.
Seed Cleaving Energy-Saving Method Research
Ostretsov Vladimir N., Doc.of Science (Economics), Professor
Sukhlyaev Vladimir A., post-graduate student
The N.V.Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy (VSDFA named after N.V.Vereshchagin), Vologda, Molochnoe
Abstract: Research problem of the feeds cleaving process with different farm equipment is determined. The unit performing research and identifying the effectiveness of the chosen seed cleaving method is offered. The unit construction allowing the implementation of the given seed cleaving method is proposed as well. This unit can be applied in the technologies of making and preparing feeds to be fed.
Keywords: seed, knife, cutting, cleaving.
