CC BY
24
УДК 664.6/.7
Исследование работы маятникового деформатора и свойств зерна при измельчении
The research work of the pendulum deformation and properties of grain during grinding
Профессор В.Л. Злочевский, доцент А.П. Борисов, магистрант Н.В. Едакин (Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова) кафедра информатики, вычислительной техники и информационной безопасности, тел. 8(3852) 29-07-18 E-mail: boralp»,mail.ru
Professor V.L. Zlochevskiy, Associate Professor A.P. Borisov, N.V. Edakin
(Altay state technical university named by I.I. Polzunov) chair of computer engineering and information security, tel. 8(3852) 29-07-18 E-mail: boralj^Ttiail.ru
Реферат. Рассмотрены основные параметры зерна, влияющие на его измельчение и количество выхода продуктов размола. Изучение свойств зерна с помощью лабораторных испытаний позволит настроить вальцовую линию под конкретное зерно и увеличить выход крупок и муки на всех драных системах. Для исследования свойств зерна был разработан экспериментальный маятниковый деформатор и исследован принцип его работы. Было выявлено, что при любом расположении зерна на опорной поверхности (бороздкой вверх, бороздкой вниз п бороздкой вбок) происходит измельчение зерна, размещенного в центре опорной поверхности, так как начинается процесс упругой и пластической деформаций. Раскрытие зерна происходит строго по бороздке. Для исследований было разработано программное обеспечение, позволяющее измерять стекловидность и прочность зерна. Для связи между датчиками и компьютером, а также для управления процессом измельчения использован микрокомпьютер Raspberry Pi model В+. Кроме свойств зерна, программа показывает основные кинематические параметры маятникового деформатора: пройденный путь маятниковой поверхностью за один цикл измельчения, скорость и ускорение. Также процесс деформации зёрен отображается на двух экранах, на которых показаны два основных состояния зерна: до деформации и после, что позволяет по формуле П.А. Ребиндера рассчитать работу маятникового деформатора. Как показали исследования на микроскопе, связи между промежуточным белком, крахмальными гранулами и алейроновыми слоями не нарушены, но доступ к этим слоям оказывается более простым для измельчающих машин, чем резание зерновки в вальцовом станке, которое происходит сейчас.
Summary. The article describes the main parameters of grain, affecting its crushing and grinding the number of output products. The study of the properties of the grain by means of laboratory tests, allow to set up a roller line for a specific grain and increase the yield of grits and flour at all tattered systems. To study the properties of the grain has been developed experimental pendulum warp and investigated how it works. It was found that at any location grains on a support surface (stria upwards, stria downwards and the stria in the side) there is grain refinement, placed in the center of the bearing surface, since the process of elastic and plastic deformation begins. Disclosure of grain going strictly by the groove. To research the software was developed, which allows to measure the strength and grain glassi-ness. For communication between the sensors and the computer, as well as to control the grinding process used microcomputer Raspberry Pi model В +. In addition to the properties of the grain, the program shows the basic kinematic para- meters pendulum deformers: distance traveled pendulum surface at a grinding cycle, speed and acceleration. Also, the process of grain deformation is displayed on two screens on which the two main state grain shows: before and after deformation, allowing the formula P.A. Rehbinder calculate job pendulum deformers. As research on the connection between the microscope intermediate protein, starch granules and aleurone layers is not broken, but access to these layers is easier for grinding machines, cutting grains than in a roller machine, which is happening now.
Ключевые слова: автоматический контроль и управление, маятниковый деформатор, программное обеспечение, стекловидность, прочность зерна.
Keywords: automatic monitoring and control, pendulum deformer, software, vitrescence, grain strength.
Master Student science, computer
евлочевский В.Л., Борисов А.П., Едалкин H.B., 2017
Современные способы переработки зерна основываются на переработке с помощью вальцовых станков. Этот процесс частично автоматизированный и длится непрерывно, но такое производство имеет свои недостатки, а именно большой расход электроэнергии (до десятков миллионов кВт-ч в год). Вальцовые станки имеют и другие недостатки, такие, как: сложная технология; большие затраты на производство станины вальцового станка, переизмельчение зерна. Вальцовые станки применяются не только для производственного помола зерна, но и для исследования свойств зернового материала в лабораториях при мельницах.
Качество зерна пшеницы - понятие комплексное. Оно включает ряд показателей, характеризующих его мукомольные и хлебопекарные свойства. Основным показателем в настоящее время является стекловидность, которая используется в отечественной практической технологии и характеризует крупообразуюшую способность зерна.
Несмотря на проведенные исследования в технике и технологии мельничного производства, актуальными остаются следующие задачи: оценка потенциальных свойств зерна; анализ технологических схем, параметров и выбор минимального количества параметров, в комплексной форме учитывающих влияние физико-химических, структурно-механических и биологических свойств перерабатываемого зерна.
Необходимо иметь в виду, что структурные особенности зерновки характеризуют не только силы сцепления между частицами, но в значительной мере и качество муки, и ее хлебопекарные достоинства.
В зависимости от стекловидности зерна применяют различные приемы подготовки пшеницы к сортовому помолу и устанавливают режим мукомольного процесса. Стекловидная пшеница в отличие от мучнистых легче вымалывается, дает тонкие и тощие отруби, больше крупок в драном процессе, из которых затем вырабатывается больше муки первых сортов.
Разделение пшеницы на подтипы по стекловидности, предусмотренное стандартом ГОСТ, до некоторой степени характеризует важнейший показатель качества зерна - содержание белка без проведения химического анализа.
Стекловидность пшеницы характеризуется так называемой общей стекло-видностью. В зависимости от степени стекловидности зерно делят на следующие группы:
стекловидное - с полностью стекловидным эндоспермом;
мучнистое - с полностью мучнистым эндоспермом;
частично стекловидное - с частично мучнистым или частично стекловидным эндоспермом.
На основе исследовании работ отечественных и зарубежных учёных в предметной области были выявлены зависимости между энергозатратами на разрушение зерна и его стекловидностью, способы определения прочности зерна, способ определения площади поверхности зерна. В данных способах есть некоторые недостатки, которые не позволяют использовать их полностью и без изменения в дальнейших исследованиях.
Немаловажной характеристикой зерна, кроме стекловидности, является твёрдозёрность. На эту характеристику обращают внимание при практическом помоле зерновых культур. Важность твёрдозерности была подмечена казахстанскими учёными.
Поскольку лабораторные исследования свойств зерна очень важны для мукомольного производства, особенно в Алтайском крае, так как край занимает лидирующие позиции в стране в сельскохозяйственной отрасли, то ввиду всё тех же недостатков вальцовые станки не выполняют исследовательскую роль с максимальной эффективностью.
На данный момент единственным способом определения стекловидности зерна является ручной способ, указанный в «ГОСТ 10987-76 Зерно. Методы определения стекловидности». Этот способ является достаточно трудоемким для человека, т.к. требует концентрации и внимания при определении стекловидности, что влечёт за собой естественную усталость, потерю внимания и ухудшение точности определения стекловидности. Поэтому разработка автоматизированного способа упростила бы определение основных параметров зерновых материалов.
При настройке оборудования для измельчения необходимо знать прочность зерновки. Проведенные исследования [2] показали, что прочность у твёрдого, мучнистого и стекловидного зерна разнится, поэтому необходимо прикладывать разные усилия при использовании различных способов измельчения.
Пример одного из результатов усилий, разрушающих чистый эндосперм, изображён на рис. 1.
Стекловидная
Твёрдая
Мучнистая
Маис
Сред.
Млн
Рис. 1. Разрушающие усилия сжатия эндосперма зерна пшеницы
Благодаря тому что свойства зерна будут заранее изучены с помощью лабораторных испытаний, на мельницах можно будет настроить станки под конкретное зерно с его характеристиками плотности и стекловидности, тем самым добившись увеличения выхода крупок и муки на всех драных системах, а также меньших энергозатрат и меньшего износа валков.
Альтернативой вальцовым станкам является маятниковый деформатор, разработанный профессором кафедры МАПП В.Л. Злочевским [3]. Его принцип работы и размола зерна отличается от такового в вальцовых станках. Деформатор разворачивает зерно по бороздке, при этом не нарушая структуры зерна. Данный метод позволяет провести исследования зерна при измельчении и настроить всю линию вальцовых станков. Маятниковый деформатор лишён недостатков вальцовых механизмов: он не такой большой, имеет меньшее потребление электроэнергии, достаточно дёшев в производстве и лучше подходит на роль устройства по исследованию свойств зерна.
Исходя из вышесказанного, целью работы является исследование свойств зернового материала с помощью разработанной лабораторной установки.
На данный момент существующая система состоит из следующих элементов:
- маятниковый деформатор;
- микрокомпьютер КаэрЬепу Р1 В+;
- программное обеспечение на персональный компьютер. Общий вид связи между всеми узлами представлен на рис. 2.
ЫЬепкЧ Управление
У 51!
ПАКТ
Юна компьютере ^Л КаярЬсггу И Мос1с1 В+
Две 118В камера
Датчик Холла
Шаговый двигатель
Рис. 2. Устройство системы
Деформатор зерна предназначен для исследования физических свойств зерна, например, таких, как стекловидность или прочность.
Общий вид модели маятникового деформатора изображён на рис. 3. Маятниковый деформатор состоит из основания, на котором установлена стойка. На стойке с помощью вала, к которому подключён шаговый двигатель, установлен маятник. На маятнике закреплена криволинейная дека. На основании установлена подложка, расположенная под маятником. Подложка имеет вогнутую структуру. К подложке, так же как и к маятнику, подключён шаговый двигатель. С его помощью регулируется высота подложки, тем самым изменяется угол встречи зерновки с поверхностью маятника и степень измельчения зерна.
Рис. 3. Модель маятникового деформатора
Отличительная особенность маятникового деформатора от вальцового заключается в том, что не требуется постоянного вращения рабочего цилиндра. Также в данной установке была решена проблема с перегревом зерновки и рабочих поверхностей, поскольку весь процесс измельчения протекает очень быстро, а рабочие поверхности маятника не соприкасаются друг с другом.
Возможность качественного размола зерна зависит от того, в какой части подложки оно было расположено. Наиболее рациональным будет расположение в центре опорной поверхности, так как в точке отвеса маятниковая поверхность достигает наибольших значений скорости и происходит гарантированный размол зерна.
Для того чтобы кинетическая энергия при измельчении зерна была минимальной, необходимо деформацию зерновок производить достаточно медленно, постепенно увеличивая внешние силы, что и достигается маятниковой поверхностью при переходе потенциальной энергии в кинетическую при движении маятниковой поверхности, чтобы в любой момент времени каждая зерновка с учетом
её биологического строения находилась в состоянии равновесия. Иначе говоря, при деформации внешние силы все время должны уравновешиваться возникающими при этом силами внутренних напряжений. Если это условие выполняется, то зерновка совершает квазистатический процесс. Этот процесс предваряет деление зерновки на части посредством процесса резания, что приводит к снижению энергозатрат на измельчение и температурного фактора [4].
Для управления маятниковым деформатором и датчиками на прикладном уровне используется микрокомпьютер Raspberry Pi model В+ на базе процессора ARM1176JZ-F с возможностью управления специальной компьютерной программой. Контроллер осуществляет управление всеми автоматизированными узлами устройства и передачу всей собранной информации на компьютер. На компьютере установлено специальное программное обеспечение, позволяющее в доступном формате просматривать информацию, которая поступает с микроконтроллера, а также предоставляющее возможность управления маятниковым деформатором путём передачи команд на микроконтроллер [5].
Программное обеспечение для управления системой исследования свойств зерна написано на языке программирования С# и располагается на персональном компьютере. Для связки ПО с микрокомпьютером, а через него и с маятниковым деформатором используется соединение через Ethernet [6]. На рис. 4 изображен главный экран программы.
Мянтик " с
Нестрог» 'оми(ч, виде
■
г
h •
-Угол
- Скорость
-^ -коремае
Won |пмш ]
«0.75
ЭЧНа ОС1ЛЛ001
0
14 ЭЛ0С00СС00006
L- OMiniklM Расчеты С|е*июим»*ос X
50
29.3O0C00COQCCO6
Фсг*-камер
jqina ДО pbJHOIU
Рнли Н 1ПМ . Он
2.ecie485::'
IboWLCIb JPMJ 'Ъ/мя2)
3^359520—
J
Рис. 4. Главный экран программы
Графики в данном окне отображают разные данные, а именно: угол, скорость и ускорение маятниковой поверхности. Процесс деформации зёрен отображается на двух экранах, расположенных в правой части рабочей области. На них показаны два основных состояния зерна: до деформации и после. Таким образом удобней контролировать процесс деформации и точно знать, насколько удачно прошёл размол. На основе фотографии зерна после размола берётся информация о площади поверхности измельченного зерна, которая используется в расчете работы маятникового деформатора. Также данная программа рассчитывает прочность зерна.
На экране, кроме перечисленных выше элементов, находится поле, которое показывает процентное значение стекловидности прорабатываемой выборки зерна. Данная выборка берётся по ГОСТ 10987-76. Зерно. На экране присутствует поле, в котором происходит подсчёт количества зерна, оставшегося для размола, из общей выборки. Как только это число опускается до 0, автоматический процесс измельчения заканчивается.
Для определения совершенной работы при измельчении зерна П.А. Ребинде-ром был предложена формула [5]. Расход энергии на разрушение зерна Ар находили так:
Ар—ку'кп' Vm+
где ки - коэффициент, учитывающий какая часть объема частицы деформируется; кп - коэффициент, характеризующий физико-механические свойства разрушаемого тела; ]/т - объем разрушаемого тела; аПОв. - удельная поверхностная энергия разрушаемого тела; А Б - образованная при разрушении новая поверхность.
В лаборатории университета было проведено экспериментальное исследование свойств зерна с помощью маятникового деформатора. Измельчение зерна производилось на нескольких видах пшеницы: Каратузский оазис со стекловид-ностью 96 % (рис. 5), Омская степная со стекловидностью 87 % (рис. 6), Омский циркон со стекловидностью 74 % (рис. 7).
Рис. 5. «Каратузский оазис» до и после измельчения
Рис. 6. «Омская степная» до и после измельчения
Рис. 7. «Омский циркон» до и после измельчения
Как видно из рис. 5-7, при помещении зерна в центр опорной поверхности происходит измельчение зерна, так как в зоне отвеса маятниковой поверхности наибольшие значения скорости и кинетической энергии. При этом энергозатраты на измельчение составляют порядка 0,026-0,028 Дж. Раскрытие зерна происходит строго по бороздке, не зависимо от того как это зерно было размещено на опорной поверхности (бороздкой вверх, бороздкой вниз и бороздкой вбок), так как начинается процесс упругой и пластической деформаций. Когда достигается предел прочности оболочки, раскрытие зерна происходит по самому слабому месту - бороздке. При дальнейшем продвижении в рабочей зоне происходит частичное разрушение эндосперма [7].
Для исследования раскрытия зерна по бороздке измельченное зерно было исследовано на микроскопе (рис. 8).
Рис. 8. Развернутое зерно по бороздке (увеличение х50)
Из рис. 8 видно, что при разворачивании зерна по бороздке связи между промежуточным белком, крахмальными гранулами и алейроновыми слоями не нарушены, но доступ к этим слоям оказывается более простым для измельчающих машин, чем резание зерновки в вальцовом станке, которое происходит сейчас.
Если использовать маятниковый деформатор как предсистему перед вальцовой линией, то такое предварительное раскрытие зерна по бороздке позволит извлекать больше эндосперма и увеличивать выход муки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гафин, М.М. Измельчение зерна и промежуточных продуктов [Текст] / М.М. Гафин // Научный вестник Технологического института - филиала ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина. - 2014. - № 13. - С.67-72.
2. Хусанов, И. Влияние влажности на предел прочности зерна пшеницы некоторых сортов [Текст] / И. Хусанов, С. Бабаев, С. Равшанов, В. Раджабова / / Хлебопродукты. - 2011. - № 2. - С.54-55.
3. Патент 2263544 РФ. Способ формирования зерновых продуктов размола / Злочевский В.Л., Злочевский А.В. 2005.
4. Солопов, B.C. Способ определения энергии разрушения зернового материала [Текст] / B.C. Солопов, А.П. Борисов // Ползуновский вестник. - 2013. - № 2. - С. 161-164.
5. Едакин, Н.В. Лабораторные исследования стекловидности зерна при его измельчении на маятниковом деформаторе [Текст] / Н.В. Едакин, А.П. Борисов / / Новые задачи технических наук и пути их решения: сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. - Уфа, 2016. - С.28-31.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016610021 РФ Автоматическое управление процессом измельчения зерна / Едакин, Н.В., Борисов А.П. 2016.
7. Злочевский, В.Д. Исследование зависимости энергозатрат от стекловидности зерна посредством маятникового деформатора [Текст] / В.Л. Злочевский, А.П. Борисов / / Актуальные вопросы науки, технологии и производства: сб. науч. стат. XI Междунар. науч.-практ. конф. - 2015. - С. 20-23.
REFERENCES
1. Gafin М.М. Izmel'chenie zerna i promezhutochnykh produktov [Grain refinement and intermediates] Nauchnyy vestnik Tekh-nologicheskogo instituta filiala FGBOU VPO Ul'yanovskaya GSKhA im. P.A. Stolypina, 2014, No 13, pp. 67-72 (Russian).
2. Khusanov I., Babaev S., Ravshanov S., Radzhabova V. Vliyanie vlazhnosti na predel prochnosti zerna pshenitsy nekotorykh sortov [Influence of humidity on the strength of some varieties of wheat] Khleboprodukty, 2011, No 2, pp. 54-55 (Russian).
3. Zlochevskiy V.L., Zlochevskiy A.V. Sposob formirovaniya zernovykh produktov razmola [A method of forming a grinding cereals], Patent RF № 2263544, 2005 (Russian).
4. Solopov V.S., Borisov A.P. Sposob opredeleniya energii razrusheniya zerno-vogo materiala [A method for determining fracture energy grain material] Polzunovskiy vestnik, 2013, No 2, pp. 161-164 (Russian).
5. Edakin N.V., Borisov A.P. Laboratornye issledovaniya steklovidnosti zerna pri ego izmel'chenii na mayatnikovom deformatore [Laboratory research of vitreous grains when grinding pendulum deformers] Novye zadachi tekhnicheskikh nauk i puti ikh reshe-niya: sb. statey Mezhdunar. nauch. prakt. konf., 2016, pp. 28-31 (Russian).
6. Edakin N.V., Borisov A.P. Avtomaticheskoe upravlenie protsessom iz-mel'cheniya zerna [Automatic control of the grain milling process] Svidetel'stvo о gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2016610021, 2016 (Russian).
7. Zlochevskiy V.L., Borisov A.P. Issledovanie zavisimosti energozatrat ot steklovidnosti zerna posredstvom mayatnikovogo deformatora [The dependence of energy on grain glassiness by pendulum deformers] Aktual'nye voprosy nauki, tekhnologii i proizvodstva: sb. nauch. st. po mat-lam XI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konf., 2015, pp.20-23 (Russian).
