CC BY
109
УДК 631.16:631.223.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ
ЗЕРНА
А.К. Курманов, доктор технических наук, профессор А.А. Камышева, магистрант
Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова E-mail: kurmanov_ayap@mail.ru
Аннотация. Проанализированы существующие научные исследования в области разрушения зерна. Для увеличения продуктивности сельскохозяйственных животных необходимо включать в их рацион высокобелковые корма. Горох является отличным и доступным источником протеина. Улучшить качество пе-ревариваемости гороха можно с помощью различных способов его обработки, наиболее приемлемым из них является измельчение, имеющее в своей основе способ разрушения - отраженный удар. Рассмотрены различные подходы к определению скорости удара рабочим органом измельчителя, проведен опыт по определению кинетической энергии, необходимой для разрушения зерна гороха «Алтайский усатый», воз -делываемого в Костанайской области, и на основании полученных данных получены зависимости частоты оборотов диска измельчителя от степени измельчения материала и диаметра наружного ротора. В результате проведения испытаний было установлено, что оптимальная скорость удара ударно-центробежной дробилки (УЦД) должна быть не менее 25,56 м/с при наружном диаметре ротора 0,4 м и с заданной степенью измельчения - 1,31 мм. Число оборотов лопаток должно быть не менее 962,9 с-1. Ключевые слова: сельское хозяйство, дробление, корм, частота оборотов диска, степень измельчения.
Введение. Сельскохозяйственная отрасль Казахстана по ее роли в структуре и в целом в воспроизводственном процессе экономики является базовой. Для увеличения продуктивности сельскохозяйственных животных необходимо соблюдать основные мероприятия по их содержанию, такие, как размещение, кормление, создание оптимальных зоо-гигиенических условий, соблюдение распорядка дня. Продуктивность жвачных животных во многом зависит от обеспеченности рационов достаточным количеством полноценного протеина [1].
Проблема протеинового питания жвачных животных особенно остро встала в связи с ростом продуктивности их и существенным изменением в технологии кормления и производства кормов [2]. К решению актуальной проблемы - обеспечению животноводства достаточным количеством кормового протеина и аминокислот - обозначены два пути. Первый - химизация кормов, что на данный момент является не особо изученным вопросом, и неизвестно каким образом это может повлиять на следующие поколения, и второй - повышение протеиновой пи-
тательности кормов при помощи высокобелковых растений. По мнению В.П. Дегтярева, A.C. Козлова [3], Low, В. [4], Nichita, G [5], горох является хорошим источником протеина. Улучшить качество белка, разрушить крахмал до легкоусвояемых форм, обезвредить антипитательные вещества можно, используя различные способы его обработки, одной из которых является измельчение. Зная физико-механические свойства гороха и опираясь на исследования, проводимые в этой области, можно утверждать, что наиболее оптимальной конструкцией будет обладать измельчитель, имеющий в своей основе способ разрушения - отраженный удар.
Особый интерес вызывает определение критической скорости разрушения зерна в дробилках такого типа. Критическая скорость характеризует способность материала разрушаться под воздействием удара, представляет собой скорость соударения материала с рабочими органами (или наоборот), при которой он полностью разрушается. Первым формулу критической скорости через критическую скорость разрушения, т.е. скорость соударения, вывел академик В.П. Горячкин
Journal of VNIIMZH №3(27)-2017
185
[6], используя теорию контактных напряжений Герца:
и .„
где I-
скорость звука в материале,
м/с; Ор- предел прочности материала на растяжение, МПа.
В.П. Ромадин посчитал, что отношение предела прочности к модулю упругости материала должно быть в 6/5 степени и тем самым видоизменил формулу В.П. Горячкина.
Г.С. Ходаков представил более полную формулу критической скорости [7]:
^кр = /е) ■
12а(р/ + а)/пх
(2)
где р - плотность материала, кг/м; к -КПД ударного разрушения частицы; р - предел прочности материала; в - средняя объемная плотность энергии; l - глубина пластической деформации; g - свободная энергия единицы поверхности; а - константа.
Но на сегодняшний день большинство исследователей определяют критическую скорость разрушения по формуле, экспериментально полученной С.В. Мельниковым [8] и Ф.Г. Плоховым [9]:
«кр =
|КдРв.с!п-
(3)
Зкр = г/П3Е(1 + (1 + Д)2) ,
(4)
с; у - коэффициент, выражающий величину удельной поверхностной энергии разрушения; Ь - размер частицы, имеющей форму куба; Л - коэффициент восстановления (определяется экспериментально).
Ученые Ивановского химико-технологического института свои многочисленные работы посвятили теории прогнозирования гранулометрического состава.
Авторами [42] предлагается в качестве критической скорости разрушения использовать скорость, соответствующую 50% вероятности разрушения.
Они доказали, что вероятность разрушения остается постоянной, начиная со второго нагружения со значением меньшим, чем при первичном, и предложили формулу для расчета вероятности разрушения при многократном ударе:
* \П1
1 -Pz =
(-Г-1
1 — m • .
\Др1/ J
1 — m
(5)
где Кд - коэффициент динамичности (для зерна Кд = 1,6-2,0); овс- предел прочности зерна, определенный в статических условиях, МПа; а - размер зерна по линии удара, м; х - линейная величина оставшейся недефор-мируемой части зерна, м.
В своей работе Л.А. Глебов рассматривает зерно как объект разрушения, используя при этом современную концепцию разрушения физического тела в результате динамического воздействия на это тело при развитии трещин (имеющихся или вновь появившихся). При этом он получил следующее выражение [10]:
где 2 - число ударных нагружений; скорость нагружения частицы; п, т - коэффициенты.
Критические скорости $КрХ и $кр2 при этом определяются по формуле:
£ = , (6)
кр 4 '
где тСр - предельная нагрузка на срез; d -диаметр исходной частицы; а - коэффициент, здесь а=30; с - постоянная, здесь с = 0,4; Ь -коэффициент: для $КрХ - Ь=30, для $Кр2 -Ь=45,2.
Авторами [11] получена следующая формула скорости удара в зависимости от степени измельчения:
д = д иУД ^кр
(1+2-азН-1 аз-У
(7)
где Т - время действия ударного импульса частицы при ее контакте с рабочим органом,
где ] - заданная степень измельчения; а3 -опытный коэффициент (в опытах а3=0,303); $Кр - критическая скорость, при которой начинается измельчение зерна.
Таким образом, существует область оптимальных скоростей, при которых достигается разрушение зерна за один удар с минимальными затратами энергии.
р
Результаты исследований. В соответствии с методами классической механики удара [5] по методике, описанной Богомоловым Д.Н. [12], можно экспериментально определить кинетическую энергию удара и скорость, при которой начинается разрушение зерна. Рассмотрим схему, изображенную на рис. 1. В соответствии с приведенной схемой потенциальная энергия определяется по формуле: Т0 = т1д(Н - 0 , (8)
где t - толщина зерна; т1 - масса груза; Н - высота падения груза.
Кинетическая энергия движения зерновки массой т2 до удара определяется по формуле:
_ 70 =
2
(9)
где Т0 - величина кинетической энергии, при которой остаточная деформация 5 будет равна или близка к нулю; - скорость зерновки до удара (критическая скорость, при которой начинается измельчение зерна). Приравняем обе части:
т1д(Н - 0 =
Тогда критическая скорость, при которой начинается измельчение зерна, будет определяться по формуле:
Аф =
2-С)
т7
(10)
Скорость удара в зависимости от степени измельчения определяется [11]:
(1+2а3) }-1 , ч
( (11)
д = д
аз-;
где ] - заданная степень измельчения; а3 -опытный коэффициент (в опытах аз=0,303); $кр - критическая скорость, при которой начинается измельчение зерна, м/с.
Известно, что максимальная окружная скорость частицы на дисковом центробежном измельчителе при достижении его кожуха равна скорости лопатки, т.е.
т, 2 пЯп „ ч
ууд = — ■ (12)
где Я- наружный диаметр ротора, м; п -число оборотов лопатки, с-1.
Приравняем формулы 11 и 12.
2 пЯп 60
= А
кр
(1 + 2аз)^;-1
Отсюда число оборотов лопаток: п =-р-. (13)
В результате проведения испытаний нами было установлено, что оптимальная скорость удара ударно-центробежной дробилки (УЦД) должна быть не менее 25,56 м/с при наружном диаметре ротора 0,4 м и с заданной степенью измельчения - 1,31 мм. Число оборотов лопаток должно быть не менее 962,9 с-1. На рис. 2 и 3 по графикам можно определить необходимое число оборотов диска с лопатками в зависимости от степени измельчения продукта и наружного диаметра ротора.
11400 11300 11200 2 1100 § 1000 5 900 § 800 §: 700 600
о а о ю о о
и Т
£
0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25
Рис. 2. Зависимость числа оборотов Степень
измельчения..
диска с лопатками УЦД от степени измельчения
гЧ 3000
X
им 2500
о и,
от р м а 2000
ю о о н а п 1500
л и о л 1000
X а X и и 500
=1 0
0,00 0,50 1,00
Рис. 3. Зависимость числа оборотов диска с лопатками УЦД от диаметра наружного ротора
1,50 Диаметр ротора, м
2
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(27)-2017
187
Выводы. Для увеличения продуктивности сельскохозяйственных животных необходимо включать в их рацион высокобелковые корма. Горох является отличным и доступным источником протеина. Улучшить качество перевариваемости гороха можно с помощью различных способов его обработки, наиболее приемлемым из них является измельчение, имеющее в своей основе способ разрушения - отраженный удар. Нами были рассмотрены различные подходы к определению скорости удара рабочим органом измельчителя, проведен опыт по определению кинетической энергии, необходимой для разрушения зерна гороха «Алтайский усатый», возделываемого в Костанайской области, и на основании полученных данных получены зависимости частоты оборотов диска измельчителя от степени измельчения материала и диаметра наружного ротора.
Литература:
1. Логинов С.В. Зависимость молочной продуктивности коров от качества кормов // Молочное и мясное скотоводство. 2002. №7.
2. Нормирование протеинового питания жвачных / Курилов Н.В. и др. // Новое в кормлении высокопродуктивных животных. М., 1989.
3. Дегтярев В.П. Частичная замена молока в рационе телят комбикормом // Вестник с.-х. науки. 1971. №9.
4. Acid milk passes acid test // Dairy Farmer. 1978. V. 25.
5. Efectul utilizaru hidrolizatului de soia in substituirea inlavituluidin hrana viteilor // Lucrani sti. 1978. №15.
6. Методика определения экономической эффективности механизации животноводства. М., 1969.
7. Гийо Р. Проблема измельчения материалов и ее развитие. М., 1964.
8. Мельников С.В. Экспериментальные основы теории процесса измельчения кормов на фермах молотковыми дробилками: автореф. дис. д.т.н. Л., 1969.
9. Плохов Ф.Г. Исследование динамики рабочего процесса молотковой кормодробилки замкнутого типа: автореф. дис. к.т.н. Л., 1966.
10. Глебов Л.А. Совершенствование процесса измельчения компонентов комбикормов. М., 1988.
11. Повышение эффективности измельчения зерна при производстве комбикормов. М., 1979.
12. Определение прочности зерна пшеницы при ударе и выбор кинематического режима работы нории // Вестник ХНТУСХ им. П. Василенко. Харьков, 2014.
Literatura:
1. Loginov S.V. Zavisimost' molochnoj produktivnosti ko-rov ot kachestva kormov // Molochnoe i myasnoe skoto-vodstvo. 2002. №7.
2. Normirovanie proteinovogo pitaniya zhvachnyh / Ku-rilov N.V. i dr. // Novoe v kormlenii vysokoproduktivnyh zhivotnyh. M., 1989.
3. Degtyarev V.P. CHastichnaya zamena moloka v racione telyat kombikormom // Vestnik s.-h. nauki. 1971. №9.
4. Acid milk passes acid test // Dairy Farmer. 1978. V. 25.
5. Efectul utilizara hidrolizatului de soia in substituirea inlavituluidin hrana viteilor // Lucrani sti. 1978. №15.
6. Metodika opredeleniya ehkonomicheskoj ehffektivnos-ti mekhanizacii zhivotnovodstva. M., 1969.
7. Gijo R. Problema izmel'cheniya materialov i ee razvi-tie. M., 1964.
8. Mel'nikov S.V. EHksperimental'nye osnovy teorii processa izmel'cheniya kormov na fermah molotkovymi dro-bilkami: avtoref. dis. d.t.n. L., 1969.
9. Plohov F.G. Issledovanie dinamiki rabochego processa molotkovoj kormodrobilki zamknutogo tipa: avtoref. dis. k.t.n. L., 1966.
10. Glebov L.A. Sovershenstvovanie processa izmel'cheniya komponentov kombikormov. M., 1988.
11. Povyshenie ehffektivnosti izmel'cheniya zerna pri pro-izvodstve kombikormov. M., 1979.
12. Opredelenie prochnosti zerna pshenicy pri udare i vy-bor kinematicheskogo rezhima raboty norii // Vestnik HNTUSKH im. P. Vasilenko. Har'kov, 2014.
DETERMINATION OF GRAIN DESTRUCTION PROCESS'S PARAMETERS A.K. Kurmanov, doctor of technical sciences, professor A.A. Kamysheva, magistrant Kostanay state university after A. Baityrsynov
Abstract. The grain destruction field's existing research are analyzed. To increase the farm animals production it is need to include high-protein feed in their ration. Peas is an excellent and available source of protein. The quality of peas' digestibility can be improved by the various of its processing means use, the most appropriate of them is crushing, based on the method of damage - reflected shot. The various approaches of speed determining by chopper working body impact are considered, the experience by the kinetic energy definition required for the grains of "Altai mustachioed" peas destruction cultivated in the Kostanay region is carried out, and on the obtained data basis the dependences of chipper disk revs' frequency from grinding material degree and the of the outer rotor diameter are received. In the result of the hold tests it was found that the optimum impact velocity of the shock- and-centrifugal crusher (UZD) must be at least 25,56 m/s at the outer rotor diameter 0,4 m and with a given grinding degree - 1,31 mm. The number of the blades revs it must be at least 962,9 s-1. Keywords: agriculture, crushing, feed, disc revs' frequency, grinding degree.
