CC BY
3М.Б. Балданов, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Ю.А. Сергеев, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] В.И. Коновалов, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] А.А. Коновалова, ассистент, e-mail: [email protected] Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ
УДК 621.932.2
О ВЫБОРЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ
С МОНОЛИТНЫМ МОЛОТКОМ
Применение новых конструкций измельчающих машин и их рабочих органов напрямую влияет на процесс измельчения, характеризующийся качественными показателями измельченного продукта и удельными энерго- и материалозатратами. Также при изменении конструкции измельчающей машины возникает проблема ее внедрения в технологический цикл производства кормов ввиду того, что изменяются удельные показатели производительности и энергозатрат, на которые не рассчитана технологическая линия. В связи с этим подбор рациональных значений показателей качества и удельных энергозатрат имеет актуальное значение при выборе настроек конструктивных и кинематических параметров измельчающей машины.
В данной статье рассматривается проблема, связанная с поиском наиболее рационального значения критериев оптимизации, описывающих процесс измельчения зерновых кормов в молотковой дробилке с монолитной конструкцией молотка, среди ряда оптимальных точек целевых функций.
Ключевые слова: модуль помола, измельчитель, зерно, энергоемкость, производительность, рациональные параметры, критерий оптимизации, молоток.
M.B. Baldanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
Yu.A. Sergeev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
V.I. Konovalov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
A.A. Konovalova, Assistant lecturer
ON THE CHOICE OF RATIONAL PARAMETERS OF A HAMMER MILL WITH A MONOLITHIC HAMMER
The use of new designs of grinding machines and their working bodies directly affects the grinding process, which is characterized by quality indicators of the crushed product and specific energy and material costs. Also, when changing the design of the shredding machine, there is a problem of its introduction into the technological cycle of feed production due to the fact that the specific performance indicators and energy costs that the production line is not designed for change. In this regard, the selection of rational values of quality indicators and specific energy consumption is relevant when choosing the settings of the design and kinematic parameters of the grinding machine.
This article deals with the problem offinding the most rational value of optimization criteria that describe the process of grinding grain feed in a hammer mill with a monolithic hammer structure, among a number of optimal points of target functions.
Key words: grinding module, shredder, grain, energy intensity, productivity, rational parameters, optimization criteria, hammer.
Процесс измельчения зерновых кормов неотрывно связан с потерями энергии и материалов, включая металл рабочих органов измельчающих машин и переизмельченные продукты. Для решения данной проблемы рядом авторов предлагаются различные технологические схемы компоновки оборудования и конструктивные решения по способу измельчения. Однако
до сих пор самой распространенной конструкцией измельчающей машины являются молотковые дробилки. На сегодня существует множество вариантов конструкций молотковых дробилок, где основными изменяемыми конструкционными элементами являются молотки и деки. При использовании наборных пластинчатых молотков возникает ряд дополнительных проблем, связанных с продольными и поперечными колебаниями ротора. В качестве технического решения проблемы колебаний была разработана конструкция молотковой дробилки с монолитным пространственным молотком [1, 2, 3, 4, 9]. Последующие исследования разработанной конструкции показали эффективность ее работы [5, 6, 7]. Однако при решении задачи оптимизации необходимо учитывать совместный результат ряда критериев оптимизации, характеризующих исследуемый процесс измельчения, что является проблемой, при большом количестве оптимальных значений. С учетом указанной проблемы целью данного исследования является создание теоретической основы выбора рациональных значений критериев оптимизации из ряда оптимальных. В качестве критериев, наиболее полно характеризующих процесс измельчения в молотковой дробилке предлагаемой конструкции, были выбраны модуль помола М и удельные энергозатраты А.
Объекты и методы исследований
Объектом исследований был выбран массив экспериментальных данных зависимости модуля помола и удельных энергозатрат от конструктивных факторов, а предметом стала взаимосвязь факторов и критериев.
Для анализа взаимосвязей применялась стандартная методика планирования эксперимента на основе полного факторного плана 33 (табл. 1). Обработка результатов исследований производилась с применением программного обеспечения Р1апЕхрВ^13 v.1.0, Statistica 6.0 и Grapferv. 15.
Таблица 1
План эксперимента и выходные параметры опытов
Номер опыта (и) Матрица планирования Натуральные значения переменных Выходной параметр (У1 (М), мм - модуль помола) Выходной параметр (У1 (А), кВт*ч/кг - удельные энергозатраты)
X! Х2 Х3 Ыт, шт Vм, м/с Рп, кг/ч У1 У2
1 -1 -1 -1 2 120 10 1,69 0,54
2 +1 -1 -1 4 120 10 1,54 0,843333
3 -1 +1 -1 2 210 10 1,413333 1,29
4 -1 -1 +1 2 120 30 1,96 0,946667
5 -1 0,19 0,19 2 173,55 21,9 1,75 1,026667
6 0,19 -1 0,19 3,19 120 21,9 1,97 0,58
7 0,19 0,19 -1 3,19 173,55 10 1,3 0,736667
8 -0,29 +1 +1 2,71 210 30 3,15 0,736667
9 +1 -0,29 +1 4 151,95 30 1,64 0,68
10 +1 +1 -0,29 4 210 17,1 3,373333 0,553333
В качестве факторов, влияющих на исследуемый процесс измельчения, были выбраны количество молотков (Ыт, шт.), окружная скорость молотков (Ум, м/с) и величина подачи материала в зону дробления ^п, кг/ч), которые изменялись в заданных пределах (табл. 2).
Таблица 2
Факторы и интервалы их варьирования
Нижний уровень Основной Верхний уровень Интервал Наименование
(-1) уровень (0) (+1) варьирования фактора
Х1: 2 3 4 1 Nm, шт
Х2: 120 165 210 45 Vм, м/с
Х3: 10 20 30 10 Qп, кг/ч
Результаты исследования и их обсуждение
На основании обработки результатов экспериментальных исследований зависимости модуля помола и удельных энергозатрат от ряда факторов получены математические модели, адекватно описывающие процесс в заданной выборке по Б-критерию Фишера.
У1 = (1,824) + (0,191) • Х1 + (0,495) • Х2 + (0,323) • Х3 + (-0,014) • Х12 + (0,681) • Х22 + (-0,335) • Х32 + (0,355) • • Х2 + (-0,091) • • Х3 + (0,278) • Х2 • Х3 (1)
Г2 = (0,63) + (-0,155) • + (0,053) • Х2 + (-0,018) • Х3 + (0,178) • Х12 + (-0,031) • Х22 + (0,067) • Х32 + (-0,203) • • Х2 + (-0,103) • • Х3 + (-0,118) • Х2 • Х3 (2)
Для оценки характера взаимосвязей между факторами и критериями оптимизации был построен ряд сечений поверхностей отклика, где наблюдаются точки оптимума, которым соответствуют оптимальные значения настроек молотковой дробилки предлагаемой конструкции (рис. 1).
Рисунок 1 - Сечение поверхности отклика модуля помола ^1) от ряда факторов: а - значение экстремума составляет Y1_opt=1,768 и соответствует значениям факторов: Х2=-0,426 (145,83) и Х3=0,305 (23,05) при Х1=0 (3); б - значение экстремума составляет У1_ор1=1,75 и соответствует значениям факторов: Х1=0,514 (3,514) и Х2=-0,419)7 (142,635) при Х3=0 (20)
При анализе зависимости удельных энергозатрат от факторов выяснилось, что данный критерий имеет 3 оптимума (рис. 2).
Рисунок 2 - Сечение поверхности отклика удельных энергозатрат (У2) от ряда факторов: а - значение экстремума составляет Y2_opt=0,633 и соответствует значениям факторов: х2=0,224 (175,08) и х3=0,332 (23,32) при х1=0 (3); б - Y2_opt=0,577 при Х1=0,61 (3,61), Х3=0,603 (26,03) и Х2=0 (165); в - Y2_opt=0,6 при х1=0,322 (3,322), х2=-0,199 (156,045) и х3=0 (20)
При применении метода выбора рациональных значений критериев оптимизации среди оптимальных [8] выяснилось, что наилучшие реальные показатели по модулю помола соответствуют 1,768 мм, а удельным энергозатратам - 0,633 кВт-ч/кг.
Таблица 3
Оптимальные значения критериев оптимизации и соответствующих им факторов
М= Yi opt(Xl,X2,X3), мм Nm, шт (xi) Vm, м/с (x2) Рп, кг/ч (хз)
1,768 3 145,83 23,05
1,75 3,514 142,635 20
А = Y2_opt(Xl,X2,X3), кВт-ч/кг Nm, шт (xi) Vm, м/с (x2) Рп, кг/ч (х3)
0,633 3 175,08 23,32
0,577 3,61 165 26,03
0,6 3,322 156,045 20
Выводы
1. При экспериментальном исследовании процесса измельчения зерна в молотковой дробилке с монолитным пространственным молотком, а также последующей программной обработке данных выяснилось, что функции критериев оптимизации - модуля помола М и удельных энергозатрат А — имеют несколько оптимальных значений.
2. Реально возможные рациональные значения модуля помола М и удельных энергозатрат А соответствуют физически возможным значениям факторов, а именно количеству молотков Nm = 3 шт., окружной скорости Vm £ (145,83; 175,08)м/с, Qn £ (23,05; 23, 32)кг/ч.
Библиография
1. Балданов М.Б., Шагдыров И.Б., Гармаев Ц.И. и др. Выбор конструктивно-технологической схемы измельчителя грубых кормов // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. — 2012. — № 1 (26). — С. 73—77.
2. Галсанова Э.Ц., Ямпилов С.С., Васильев Н.Ф. и др. Динамика зерновой частицы в воздушном потоке молотковой дробилки // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. — 2013. — № 2 (31). — С. 78—82.
3. Шагдыров И.Б., Балданов М.Б., Митрофанов Е.А. Модернизированный измельчитель фуражного зерна // Сельский механизатор. - 2013. - № 1. - С. 26-27.
4. Балданов М.Б., Сергеев Ю.А. Теоретическое описание движения молотка и зерновки в малогабаритном молотковом измельчителе // Вестник ВСГУТУ. — 2014. — № 1 (46). — С. 50—54.
5. Коновалов В.И., Балданов М.Б. Анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований одновальцово-декового измельчителя зерна // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. — 2014. — № 4 (37). — С. 68—73.
6. Коновалов В.И., Шагдыров И.Б., Балданов М.Б. и др. Анализ процесса измельчения фуражного зерна в одновальцово-дековом измельчителе // Механизация и электрификация сельского хозяйства: межведомственный тематический сборник. В 2 т. — Минск: РУП «НИЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства», 2014. — С. 99—104.
7. Балданов М.Б., Сергеев Ю.А., Лабаров Д.Б. и др. Энергетическая оценка процесса измельчения кусковых материалов // Вестник ВСГУТУ. — 2019. — № 2 (73). — С. 57—63.
8. Коновалов В.И., Коновалова А.А., Коновалов В.В. Результаты экспериментального исследования зависимости энергозатрат и производительности одновальцово-декового измельчителя от параметров его конструкции // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. — 2019. — № 3. — С. 50—58.
9. Патент на изобретение № 2478008 Монолитный молоток универсального измельчителя / Шагдыров И.Б., Балданов М.Б. — Опубл. 27.03.2013.
Bibliography
1. BaldanovM.B., ShagdyrovI.B., Garmaev TS.I. et al. Selection of the design and technological scheme of the coarse feed shredder // Bulletin of the Buryat state agricultural Academy. V.R. Filippova. — 2012. — N 1 (26). — P. 73—77.
2. Galsanova E.TS, Yampilov S.S., Vasiliev N.F. et al. Dynamics of grain particles in the air flow of a hammer mill // Bulletin of the Buryat state agricultural Academy named after V.R. Filippov. — 2013. — N 2 (31). — P. 78—82.
3. Shagdarov I.B., BaldanovM.B., Mitrofanov E.A. Modernized fodder grain grinder // Rural machine operator. — 2013. — N 1. — P. 26—27.
4. Baldanov M.B., Sergeev, Yu.A. Theoretical description of the motion of the hammer, and grains in small hammer mill grinder // Bulletin of the ESSUTM. — 2014. — N 1 (46). — P. 50—54.
5. Konovalov V.I., BaldanovM.B. Analysis of theoretical and experimental results of studies of singlefinger-deck grain shredder // Bulletin of the Buryat state agricultural Academy. V.R. Filippova. — 2014. — N 4 (37). — P. 68—73.
6. Konovalov V.I., Shagdyrov I.B., Baldanov M.B. et al. Analysis of the process of milling feed grain in a single-roll-deck shredder // Mechanization and electrification of agriculture. Interagency thematic collection. In 2 vol. - Minsk: RUP "NPC of the national Academy of Sciences of Belarus on agricultural mechanization", 2014. - P. 99-104.
7. Baldanov M.B., Sergeev, Yu.A., Lubarov D.B. et al. Power rating of the grinding process of bulk materials // Bulletin of the ESSUTM. - 2019. - N 2 (73). - P. 57-63.
8. Konovalov V.I., Konovalova A.A., Konovalov V.V. Results of an experimental study of the dependence of energy consumption and productivity of a single-roll-deck shredder on the parameters of its design // Izvestiya Samara state agricultural Academy. - 2019. - N 3. - P. 50-58.
9. Patent for invention N 2478008 Monolithic hammer of universal shredder / Shagdyrov I.B., Baldanov M.B. - 27.03.2013.
