CC BY
47
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.363
Исследование рабочего процесса молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором
Петр Алексеевич Савиных, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров, Россия Сергей Юрьевич Булатов, кандидат технических наук, доцент, Владимир Николаевич Нечаев, преподаватель
ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, г. Княгинино, Россия
E-mail: peter.savinyh@mail.ru; E-mail: bulatov_sergey_urevich@mail.ru. Представлены результаты исследований рабочего процесса молотковой дробилки с ротором-вентилятором при измельчении зерна.
Ключевые слова: молотковая дробилка, зерно, ротор, вентилятор
В настоящее время на рынке комбикормового оборудования представлена весьма большая линейка молотковых дробилок зерна, но зачастую, они не всегда отвечают заявленным показателям. В связи с этим у сельхозпроизводителя возникает множество проблем экономического "роста" - снижение объемов производства, снижение качества продукции, повышение затрат труда на производство кормов, уменьшение рентабельности. Поэтому важнейшим условием надежного развития животноводства является применение современных технических решений при проектировании высокоэффективных систем машин и оборудования.
Цель работы - повышение эффективности процесса дробления зерна в молотковой дробилке за счет оптимизации конструктивно-технологических параметров ротора-вентилятора.
Материал и методы. Для изучения процесса измельчения зерна изготовлена лабораторная установка, состоящая из дозатора, зерноприёмника, двух материало-проводов, дробилки и осадителя (рис. 1). Работа установки осуществляется следующим образом. Зерно из дозатора поступает в зерноприёмник и далее по гибкому пневмопроводу - на измельчение в дробилку с ротором-вентилятором. Измельчённый материал воздушным потоком транспортируется в осадитель по пневмопроводу.
Регулирование подачи осуществляли заслонкой по тарировочной таблице.
Молотковая дробилка (рис. 2) состоит из рамы 1 с установленным на ней электродвигателем 2, корпуса 3, выполненного в форме архимедовой спирали, внутри которого смонтирован ротор-вентилятор 4 [1, 2].
Ротор-вентилятор 4 выполнен в виде ступицы 5 с внутренним 6 и наружным 7 дисками, между которыми установлены оси подвеса 8, каждая с набором молотков 9. Наружный диск 7 представляет из себя кольцо, при этом конструкция дробилки позволяет при исследованиях устанавливать его с различными внутренними диаметрами. На внутреннем диске 6 крепятся лопатки вентилятора 10. К внутренней стороне корпуса дробилки крепится решето 11.
Экспериментальные исследования проводили в соответствии с действующими ГОСТами, общепринятыми и частными методиками испытаний техники [3], обеспечивающими получение первичной информации в виде реализаций случайных процессов с последующей их обработкой на персональном компьютере при помощи программы «Statgraphics Plus».
В процессе проведения экспериментальных исследований потребляемую мощность замеряли с помощью токоизмери-тельных клещей Mastech MS2203, рассев и взвешивание проб готового продукта осуществляли с помощью РЛ-1 и ВК-300.01.
воздух
Рис. 1. Функциональная схема работы дробилки
а
б
Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема молотковой дробилки с ротором-вентилятором: а - общий вид; б - вид сбоку; 1 - рама; 2 - электродвигатель; 3 - корпус; 4 - ротор-вентилятор; 5 - ступица; 6, 7 - внутренний и наружный диски; 8 - ось подвеса; 9 - набор молотков; 10 - лопатки вентилятора; 11 - решето; 12 - всасывающий патрубок; 13 - выгрузной патрубок; 14 - крышка; 15 - вал; 16 - кожух
Результаты и их обсуждение. Для определения влияния конструктивных факторов на показатели работы дробилки после проведения однофакторных экспериментов [4] реализован план Бокса-Бенкена для четырех факторов:
- подача материала 0;
- диаметр отверстий решета йр (рис. 3);
- диаметр кольца ротора Вк (рис. 4);
- радиус закругления лопаток Яя (рис. 4, 5).
На основании материалов предварительных исследований подачу материала 0
задавали равной 180 кг/ч (нижний уровень), 230 кг/ч (основной уровень) и 280 кг/ч (верхний уровень) исходя из максимальной пропускной способности дробилки. Диаметр отверстий решета d принимали равным 3 мм, 4 мм и 5 мм. Диаметр кольца ротора Dk задавали равным 100 мм, 120 мм и 140 мм исходя из геометрических параметров дробилки. Радиусы закругления лопаток R были приняты согласно результатам поисковых опытов [4] 40 мм, 50 мм и 60 мм для нижнего, основного и верхнего уровней варьирования.
б в
Рис. 3. Перфорированные решета с диаметрами отверстий: а - 4 мм; б - 3 мм; в - 5 мм
- средний размер измельченных частиц мм;
- качество получаемого продукта, характеризуемое процентным содержанием целых зёрен т\, пылевидной фракции т2 и остатком на сите т3 с отверстиями диаметром 3 мм, % в готовом продукте.
По результатам предварительных исследований частоту вращения ротора-вентилятора принимали равной 3000 мин -1 [4].
Исследования проводили на зерне ячменя сорта Эльф с эквивалентным диаметром 4,21 мм и влажностью 13...14%.
Матрица плана и результаты эксперимента, полученные при проведении опыта, представлены в таблице.
После обработки результатов исследований (табл.) получены математические модели рабочего процесса (незначимые факторы исключены):
У1 = 1,6 + 4,23 Х4 -1,24 Х2Х4 +1,688 хзХ4 + (1)
+ 4,045 Х42;
Рис. 4. Ротор-вентилятор
y2 = 0,53 + 0,13 х2 - 0,133 хз - 0,469 Х4 + + 0,301 Х42;
У3 = 6,12 +11,934 Х4 - 3,778 Х4 + + 4,953 Х3 Х4 + 11,218 Х42;
(2) (3)
а
б
Рис. 5. Общий вид исследуемых лопаток ротора-вентилятора с радиусом закругления: а - 40 мм; б - 50 мм; в - 60 мм
В ходе исследований оценивалось влияние изучаемых факторов на следующие критерии оптимизации:
- удельные энергозатраты Э,
кВт • ч
т • ед.ст.изм.
У4 = 1,61 - 0,774 Х1 + 0,845 Х4 + 0,426 х2 -
- 0,45 Х1 х4 + 0,685 Х32 + 0,305 Х3 Х4 + +1,218 х2;
У5 = 2,61 - 0,61 Х4 + 0,101 х2 + 0,17 Х2Х4 -
- 0,175 Х3Х4 - 0,178 х2;
(4)
(5)
- степень измельчения А;
У6 = 1,64 + 0,432 Х4 - 0,135 Х2Х4 - 0,071 Х32 + (6) + 0,143 Х3 Х4 + 0,209 Х42.
Расчет оценок коэффициентов регрессии математических моделей, оценка их значимости, проверка адекватности и построение двумерных сечений поверхностей откликов проводили на персональном компьютере с помощью программного приложения Statgraphics Plus 3.0. для Windows. Степени достоверности аппроксимации полученных моделей регрессии (1, 2, 3, 4, 5, 6) R2 составили 97%, 86, 97, 94, 96 и 97% соответственно.
а
в
Таблица
Матрица плана и результаты эксперимента
№ п/п Факторы, мм Критерии оптимизации
Я Вк Ъл т1, % т2, % т3, % Э кВт ■ ч X dcp, мм
т ■ ед.ст.изм.
Х1 Х2 Хз Х4 У1 У2 Уз У 4 У 5 Уб
1. 0,0 0,0 0,0 0,0 1,60 0,53 6,12 1,61 2,61 1,64
2. -1,0 -1,0 0,0 0,0 1,41 0,63 4,58 2,70 2,80 1,52
3. 1,0 -1,0 0,0 0,0 1,57 0,66 2,93 1,64 2,61 1,62
4. -1,0 1,0 0,0 0,0 1,55 0,64 2,47 2,47 2,70 1,57
5. 1,0 1,0 0,0 0,0 1,17 0,96 4,11 2,09 2,90 1,46
6. 0,0 0,0 -1,0 -1,0 2,40 0,9 7,24 2,52 2,84 1,49
7. 0,0 0,0 1,0 -1,0 1,45 1,05 4,76 2,56 3,12 1,36
8. 0,0 0,0 -1,0 1,0 6,08 0,37 17,24 3,79 2,22 1,92
9. 0,0 0,0 1,0 1,0 11,88 0,47 34,57 5,05 1,80 2,36
10. -1,0 0,0 0,0 -1,0 1,03 1,14 3,5 3,23 3,23 1,31
11. 1,0 0,0 0,0 -1,0 1,06 1,79 3,4 1,66 3,36 1,26
12. -1,0 0,0 0,0 1,0 10,18 0,25 29,56 5,70 1,77 2,27
13. 1,0 0,0 0,0 1,0 10,2 0,28 29,57 2,33 1,87 2,27
14. 0,0 0,0 0,0 0,0 1,60 0,53 6,12 1,61 2,61 1,64
15. 0,0 -1,0 -1,0 0,0 1,52 0,5 5,46 2,11 2,66 1,59
16. 0,0 1,0 -1,0 0,0 1,22 1,01 4,41 1,79 2,82 1,50
17. 0,0 -1,0 1,0 0,0 2,04 0,043 5,23 3,32 2,80 1,50
18. 0,0 1,0 1,0 0,0 1,73 0,52 4,23 2,75 2,87 1,48
19. -1,0 0,0 -1,0 0,0 2,13 0,53 6,69 2,68 2,61 1,62
20. 1,0 0,0 -1,0 0,0 1,79 0,48 4,68 1,55 2,80 1,51
21. -1,0 0,0 1,0 0,0 1,49 0,066 4,75 4,33 2,87 1,48
22. 1,0 0,0 1,0 0,0 1,15 0,04 4,09 2,55 2,92 1,45
23. 0,0 -1,0 0,0 -1,0 0,90 1,48 3,04 2,35 3,29 1,29
24. 0,0 1,0 0,0 -1,0 1,53 1,37 5,53 2,24 2,93 1,45
25. 0,0 -1,0 0,0 1,0 12,58 0,18 36,18 4,35 1,73 2,45
26. 0,0 1,0 0,0 1,0 8,24 0,55 23,56 3,48 2,05 2,07
27. 0,0 0,0 0,0 0,0 1,60 0,53 6,12 1,61 2,61 1,64
Из анализа полученных математических моделей можно сделать следующие выводы:
1. Содержание целых зерен в готовом продукте снижается с уменьшением диаметра отверстий решета (Ъ4 = 4,23, Ъ44 = 4,045).
2. С увеличением диаметра отверстий решета (Ъ4 = -0,469) и радиуса лопаток (Ъ3 = -0,133) уменьшается содержание пылевидной фракции.
3. Содержание остатка на сите 0 3 мм снижается при уменьшении диаметра отвер-
стий решета (Ъ4 = 11,934 Ъ44 = 11,218), радиуса лопаток и диаметра отверстий решета (Ъ34 = 4,953).
4. Удельные энергозатраты снижаются при уменьшении диаметра отверстий решета и радиуса лопаток.
5. На степень измельчения в значительной степени оказывает влияние диаметр отверстий решета (Ъ4 = -0,61, Ъ44 = -0,178) и сочетание факторов: радиус лопаток и диаметр решета (Ъ34 = -0,178).
6. На средний размер измельченных частиц в значительной степени оказывает влияние диаметр отверстий решета (Ь4 = 0,432, Ь44 = 0,209).
Для оптимизации конструктивно -технологических параметров ротора построены двумерные сечения поверхностей откликов (рис. 6, 7).
5
4,6
4,2 ¿р
3,8
3,4 3
40 44 48 К 52 56 60 а
5
4,6
4,2 ¿р
3,8
3,4 3
/ / ^0,3 \ 1 0,15 ► » к 0\
.-- 0,45^ N N < \ ■ \ ч N
' 0,6^ Ч » ч
« ч
г (045/
> N.4
40 44 48 К 52 56 60 б
Рис. 6. Двумерные сечения для изучения влияния радиуса закругления лопаток Лл и диаметра отверстия решета йр на процентное содержание целых зерен тх и пылевидной фракции т2 при: а - = 140 мм, £ = 280 кг/ч; б - = 120 мм, £ = 280 кг/ч
5
4,6
4,2 ¿р
3,8
3,4 3
Г2'28-
40 44
48 а
К 52
56
60
5
4,6
4,2 ¿р
3,8
3,4 3
40 44
48 К 52 б
т3, Э
56
60
Рис. 7. Двумерные сечения для изучения влияния радиуса закругления лопаток Лл и диаметра отверстия решета йр (при Бк = 120 мм, £ = 280 кг/ч) на: а - т3 - остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм и р - средний размер измельченных частиц; б - Э - удельные энергозатраты и к - степень измельчения
При подаче материала Q = 280 кг/ч и диаметре кольца Дк = 140 мм количество целых зерен в готовом продукте, не превышающее требования ГОСТ, достигается при радиусе закругления лопаток 54...60 мм и диаметре отверстий решета 3.4 мм (рис. 6, а). При этом количество пылевидной фракции
составляло 0,6.1,2%, что в 3.4 раз меньше, чем у аналогичных дробилок с пневматической подачей зернового материала [5], а остаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм -4.8%. Удельные энергозатраты при этом составляли 1,8.2,6 кВт ■ч (рис. 6, б).
т ■ ед.ст.изм.
Значительное снижение пылевидной фракции наблюдалось при уменьшении диаметра кольца Бк (рис. 6, б). При фиксированных значениях Ял = 54.. .60 мм, = 3.. .4 мм, Q = 280 кг/ч количество пылевидной фракции составляло для Ок = 100 мм - 0,3.1,0%, Эк = 120 мм - 0,45.0,9%. При этом содержание в готовом продукте целых зерен уменьшалось в два раза (рис. 6, а).
Значительное влияние на средневзвешенный размер готового продукта оказывает диаметр отверстий решета (рис. 7, а). На решете с диаметром отверстий 3 мм = 1,0.1,3 мм, с диаметром отверстий 4 мм - ёср = 1,5.1,6 мм, с диаметром отверстий 5 мм - ёср = 2,0.2,3 мм. Но при использовании решет с диаметром отверстий 4 и 5 мм степень измельчения снижается до 2,1.2,6 раза (рис. 7, б).
Выводы. По результатам проведенных исследований можно сделать выводы, что для достижения оптимальных условий рабочего процесса дробилки необходимо, чтобы диаметр кольца составлял 120 мм, радиус закругления лопаток 54.60 мм. Подача материала должна быть максимальна. При данных значениях факторов содержание пылевидной фракции и целых зерен в готовом продукте, а также остаток на сите с диаметром 3 мм будет минимальным. При этом удельные энергозатраты, степень измельчения и средний размер готового продукта составят соответственно 14 3 4 кВт ■ч , 2,0.3,5 и 1,2.2,3 мм в
т ■ ед.ст.изм.
зависимости от диаметра отверстий решета.
При измельчении зерна на решетах диаметром 4 и 5 мм наблюдается значительное (превышающее требования ГОСТ) коли-
чество целых зерен. Снизить данный показатель можно за счет уменьшения диаметра отверстия решета (что неизбежно приведет к падению аэродинамических характеристик и работоспособности дробилки) либо за счет увеличения частоты вращения ротора-вентилятора. В связи с этим необходимо провести дальнейшие исследования по изучению влияния частоты вращения ротора-вентилятора на гранулометрический состав готового продукта.
Список литературы
1. Савиных П.А., Булатов С.Ю., Нечаев В.Н. Зернодробилка с ротором-вентилятором // Сельский механизатор. 2012. № 9. С. 9.
2. Савиных П.А., Булатов С.Ю., Нечаев В.Н. Дробилка-«пылесос» //V Российский Форум «Российским инновациям - российский капитал». X Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов: Каталог. Нижний Новгород, 2012. С. 257-258.
3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 297 с.
4. Савиных П.А., Булатов С.Ю., Нечаев ВН. Результаты экспериментальных исследований ротора-вентилятора дробилки зерна закрытого типа //РгоЫешу ^е^уйкаф рго^кф Е-шегеес^ z umzglednieniem ооЬгопу 8го^'Ш8ка 1 р1^икф епе^п flternatywnej (18-19 -отхе8ша 2012) - Ма1епа1у па ко^егепде. Warszawa: Instytut Techno1ogczno-Przyrodniczy w Ба1еп-tfch, 2012. Р.232-234.
5. Баранов Р.Н., Фуфачев В.С., Сергеев А.Г. Исследование рабочего процесса модернизированной дробилки фуражного зерна ДКР-3 // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвуз. сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2006. Вып. 6. Ч. 3. С. 162-166.
Research of working process of a hammer crusher of grain with a rotor-fan Savinykh P., Bulatov S., Nechaev V.
Results of researches of working process of hammer crushers with a rotor-fan are presented at crushing of grain.
Key words: hammer crusher, grain, a rotor, the fan
