CC BY
76
УДК 631.5:664.73
UDK 631.5:664.73
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ЗЕРНА РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ
Семенихин Александр Михайлович д.т.н., профессор
Гуриненко Людмила Александровна
Иванов Вячеслав Владимирович инженер
Шкондин Владимир Николаевич аспирант
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Азово-черноморская государственная агроинженерная академия, Зерно-град, Россия
Приведено описание деформации зерен при измельчении с учетом упруго-вязких особенностей. Получены зависимости времени, скорости деформации, коэффициента динамичности и геометрических параметров рабочих дисков оригинальной конструкции
Ключевые слова: МОДУЛЬ, РЕЛАКСАЦИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ, ВАЛЕЦ, УГОЛ ЗАХВАТА, ЗАЗОР, СТЕПЕНЬ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
THE PECULIARITIES OF GRAIN DEFORMATION BY CHOPPERS WORKING PARTS
Semenikhin Alexander Mikhailovich Dr.Sci.Tech., professor
Gurinenko Lyudmila Alexandrovna Cand.Tech.Sci.
Ivanov Vyacheslav Vladimirovich engineer
Shkondin Vladimir Nikolaevich postgraduate student
Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education Azov-and-Black Sea State Agroengineering Academy, Zernograd, Russia
In this article we have given the description of grain deformation under grinding according to its viscoelastic peculiarities. The relations of time, deformation rate, dynamic coefficient and geometric parameters of the working disks having original design have been shown
Keywords: MODULE, RELAXATION, TENSION, ROLL, NIP ANGLE, GAP, GRINDING DEGREE
Основными операциями приготовления комбикормов для животных и птицы являются очистка, измельчение, дозирование и смешивание. Измельчение - самая энергоемкая операция, регламентируемая требованиями ГОСТ и зоотехническими рекомендациями по степени измельчения (модулю) и фракционному составу, в том числе допустимому содержанию пылевидной фракции. Отклонение от этих технологических требований снижает эффективность применения дорогих кормовых ресурсов (до 20-30%). Поэтому снижение энергоемкости процесса измельчения и получение заданных фракционных характеристик конечного продукта остаются актуальными при переходе к интенсивным и высоким технологиям производства продукции животноводства.
Широко распространенные для измельчения зерна в комбикормовой промышленности и сельском хозяйстве молотковые дробилки, не в полной
к.т.н
мере отвечающие требованиям энергоресурсосбережения, при тонком (мелком) помоле дают до 40% пылевидной фракции, а при крупном (грубом) - до 20% целых и недоизмельченных зерен.
Пылевидная фракция - результат высоких рабочих скоростей и циркуляции продуктов измельчения, наличие целых и недоизмельченных зерен - неуправляемой эвакуации их потока из рабочего пространства измельчителей.
Выполненные в последние годы исследования и предложенные технические решения измельчителей позволяют существенно улучшить энерготехнологические характеристики процессов измельчения. Однако они ориентированы на уменьшение числа ударов при высоких рабочих скоро-стях[9,4]. Основное внимание исследователи уделяют рабочим органам, их геометрическим и кинематическим параметрам, игнорируя одно из основных положений земледельческой механики, сформулированное академиком В.П. Горячкиным, - основным элементом во всяком технологическом процессе является материал, подлежащий переработке [10].
Энергозатраты на разрушение зерна, в том числе кормовых культур, определяются особенностями его строения и механическими свойствами составляющих, обладающих в совокупности упруго-вязкими реакциями на внешние воздействия. Уровень реакций, сопротивлений зависит от величины и скорости деформаций и характеризуется коэффициентом динамичности, составляющим 1,6-2,0 при скоростях рабочих органов 75 и более м/с[5]. При этом установлено, что упругие деформации составляют до 30%, после чего начинает деформироваться и разрушаться структурный скелет, обладающий вязким свойствами.
Переход деформаций за границу упругости соответствует стадии предразрушения и при больших скоростях вызывает непропорциональное (опережающее) увеличение напряжений.
В механике систем, деформирующихся во времени, поведение таких материалов принято оценивать упрощенным законом линейного деформирования [7].
ШЁ + Её = & + П& , (1)
где е и а - относительная деформация и напряжение; е и а -их производные по времени;Н и Е - мгновенный и длительный модули упругости; п - время релаксации.
Из приведенного закона, по А.Р. Ржаницыну, очевидны два следствия [6,7]:
- при статическом нагружении, пренебрегая производными, имеем закон Г ука с длительным модулем упругости Е;
- при больших скоростях нагружения (деформирования), когда производные велики, получаем закон Гука с мгновенным модулем Н.
В зависимости от скорости деформации (нагружения), таким образом, вязкий элемент выступает как абсолютно жесткий или податливый. Влияние времени нагружения на материал получило в работах Людвига Больцмана название последействия.
Практический интерес для совершенствования процессов измельчения с явлениями последействия представляют две его стороны: релаксация -изменение напряжений во времени при постоянной деформации и изменение деформации во времени при постоянном напряжении. Алгоритмом для разработки кинетики процесса может служить, по Больцману, положение -уменьшение напряжений при повторной деформации тем больше, чем больше была первая деформация и чем дольше она длилась и тем меньше, чем больше прошло времени от момента первой деформации [6].
Рассматривая различные режимы нагружения упруго-вязких материалов (УВМ) в процессах их обработки, исследователи приходят к целому ряду полезных выводов при разработке рабочих органов прессов, брикети-
ровщиков, грануляторов различных типов. Значительно реже эти явления и их последствия применяются при разработке процессов разрушения в целях измельчения, широко востребованного в кормопроизводстве.
Действительно, решая (1) для постоянных Е и а , А.Р. Ржаницын[7] приводит графики изменения их во времени (рис. 1).
----------------------------/
Рисунок 1 - Графики функций s = f1(t) при£ = const и e = f2(t) при s = const Не менее полезным представляется решение (1) для равномерного нарастания e = at и a = vt.
Из уравнения (3) следует, что уже в самом начале нагружения скорость деформации не равна нулю, а при достаточно большом времени нагружения она отличается только от упругой деформации на величину
Из уравнения (3) также следует, что при длительном времени деформирования напряжение стремится к значению
в котором величина п^ - E)т показывает динамическое опережение напряжения по сравнению со статическим режимом, когда а не превыша-
о/Е
Е=COnst
о-const
Здесь и = Па/с, a=c1 /5/:s = Eat + n(H - E) w1 - exp(—^) и (2)
n
De = Ur ■ (H - E). (4)
E
s = Eat + n(H - E)o,
(5)
ет значения Eat. Графическое представление этих режимов (рис. 2) позволяет сделать вывод о соотношении составляющих зависимости (5).
Рисунок 2 - Г рафик формирования напряжений и деформаций при различном нагружении УВМ
Очевидно (рис. 2), что каждому УВМ со своимиН, Е и п, в зависимости от величины с и времени, соответствуют статическая составляющая и динамическая, равная опережению, зависящему от скорости деформирования с и времени релаксации п[7]. Их соотношение может составить величину так называемого динамического коэффициента kд. Учитывая геометрическое подобие элементов фигуры ЮБЕ, по построению, эти соотношения запишутся в виде
AC DG DF ,
=------=-= kд. (6)
AB CG AB д 47
Подстановка результатов построения, выполненного по реализациям широко распространенным в литературе [3,5,6], дает несколько завышенный результат £ >2 по сравнению с известными значениями для горизонтального положения зерен пшеницы, хотя и одного порядка. При вертикальном положении зерен коэффициент динамичности находится в известном диапазоне £д »1,76.
Это обстоятельство связано с допущениями, принятыми для описания композиции (модели УВМ) из релаксирующей и нерелаксирующей ячеек,
параметры которых в реальных структурах зерновок варьируют в широких пределах. Для получения более точной информации об изменении напряжений и деформаций во времени, в таких материалах как зерно следует рассматривать три стадии: оболочки (перикарпий и айлероновый слои, структурированный эндосперм и совместная, при почти постоянном напряжении вплоть до разрушения). Эти стадии достаточно отчетливо присутствуют в известных реализациях, представленных в координатах (а и у) - (напряжение и относительная деформация), на которых отсутствуют сведения об условиях проведения эксперимента, в том числе скорости относительной деформации у и времени проведения разовых разрушений зерновок [3, 5]. Однако объем представленных выборок позволяет провести монотонную линию тренда функции а = /(е) с достаточной степенью корреляции а = Ф (у)(рис. 3)[5].
а
Р 1 2 3 4 5 6 Б
Рисунок 3 - Обоснование особенностей деформирования зерновок по
их реализациям
Выполнив ее графическое дифференцирование и, построив график функции а = /0 (г), можем с определенной степенью приближения утверждать, что касательные в соответствующих точках функции а = /(е) ни что
иное, как изоклины дифференциального уравнения (1) в частных производных, характеризующего интенсивность нарастания напряжений при постоянной скорости деформации. Чем меньше время, тем больше скорость и
Марка, мо- Подача, Мощность, Частота Скорость рабочих поверхностей, •с-1 Удельная Примеча-
дель т/ч кВт вращения, -1 мин энергоем- кость, кВт-ч/т ние
величина нарастания напряжений. Увеличение (уменьшение) скорости нарастания деформации, согласно (1) приведет к переносу, подъему (опусканию) функции графика а = /0(г) на некоторую величину (график а = /1(г)), а отрезок на оси ординат (а -а0) составит опережение (отставание) напряжения, соответствующее новым параметрам УВМ, деформирующегося по уравнению а = /0(г) без учета конкретных значений Hi; Е; ni. Однако эти особенности как в теории молотковых дробилок, плющилок и вальцевых мельниц, так и исследованиях, выполненных в последние годы не учитываются. Основными параметрами остаются скорость молотков, число ударов и предел прочности зерен на сжатие. Недостаточной информацией об энерготехнологических параметрах современных измельчителей располагают и справочные издания (табл. 1) [8].
1 2 3 4 5 6 7
КДМ-5 до 5 30 2940 73,5 6 0*** молотко- вая
ДМВ 9-18 75-132 1500 8,337 33*** вертикаль- ная
КД-2А до 3 22 2725 68,1 7,33 90 молотков
УФИ (ГНУ ВНИИМЖ) 3-4 30 - 10-7,5 **
Ф-1М до 2 23,1 2950 73,5 11,55 54 молотка
КДМ-2 до 2 30 2725 68,125 15,0*** 90 молотков
3С25Х80 до 4 18 678 8,475 4,5 частота нарезных вальцов
3М25 Х 80 2,0 14 430 350 5.375 4.375 7,0 нарезн., гладкие вальцы
БкюЫ БК-2500 БК-5000 0,5-2 2,8-13,5 5,5 22,0 3000 3000 — 11-2,75* 7,25-2,93* дисковая
Skiold-Prof 10Т 6,8-13,5 55 3000 - 8,08-4,07* дисковая
Таблица 1 - Сравнительные характеристики некоторых измельчителей зерна
* - содержание в помоле фракции диаметром менее 1 мм 50%
** - уменьшение содержания мучной пыли на 9-17%
*** - содержание пылевидных частиц 40%
Отсутствуют сведения о фракционном составе готового продукта, мучной пыли и целых зерен. Энергетические показатели, как правило, занижены и соответствуют реальному уровню только для дисковых и вальцовых рабочих органов, которые принципиально отличаются по времени и характеру процесса измельчения от молотковых и ударно-центробежных дробилок.
Время деформации зерна вальцевой парой (рис 4а), от его захвата до выхода из рабочего зазора, составляет (5-8)-10" с, тогда как время активной
фазы удара молотков по зерну и продуктам доизмельчения составляет от (4-5)-10-5с до (1,2-2,5)10-5с.
а - рабочее пространство вальцевой пары; б - графики скоростей;
5-рабочий зазор; ^-эквивалентный диаметр зерновки; Яв-радиус вальца
Рисунок 4 - Деформация зерновки гладкими вальцами при ю1=ю2. Сообщаемая при этом продуктам помола кинетическая энергия, обратно пропорциональная времени, используется неэффективно [1, 5, 10]. Переходя к анализу кинетики процесса измельчения продукта вальцами одинаковых размеров и частоты вращения, запишем уравнения скоростей
=ЮЯЪ С08Й* 1 Уу = (ОЯЪ 8Ш Г ’
из которых следует (рис 4а), что уу от точек захвата В и В1 до точек выхода Б и Б1 возрастает (рис 4б) до значения оИъ, а ух - скорость деформации уменьшается от величины ух = юЯъ ътр до «0» (рис 4б). Абсолютная деформация А зерен в рабочем зазоре при этом составляет Л = (Дв + dэ )(1 - соб») = йэ-д. (8)
Тогда время деформации tд = а/ю; а, рад ; а>, с-1. (данные таблицы 1 для измельчителей и 2 для зерна),
Таблица 2 - Геометрические, механические и технологические харак-
теристики зерна
культура длина, 1 ширина, Ь толщина, И, мм коэффициент трени^ /с / /к плотность, г/см3 предел прочности, МПа
статический динамический
1 2 3 4 5 6
ячмень 7.0... 14,6 2.0...5.0 1.4...4.5 0,36.0,59 0,33...0,4 7 ,4 ,3 7,11.7,28 1 9,81.12,96
пшеница Ю, О, 00, 8, 4, 3, ,0 ,6 ,5 4, 1, 1, 0,36.0,58 0,31. 0,5 3 ,5 ,2 6,47.6,62 11,18.11,98
овес 8,0.18,6 1,4...4,0 1,2.3,6 0,41.0,61 0,38...0,5 8 2 4 3,91.4,03 6,78.7,04
горох 4.0...8.8 3.7...8.0 3,5.8,0 0,41.0,43 0,39...0,4 0 1,15.1,5 4,55.7,80 7,94.8,43
с учетом ориентации зерен в рабочем зазоре вальцевой пары по толщине, в соотношении (8) ёэ принято равным И (табл. 3), а=ф; - углам трения, равным аг^[(/с + /к )/2], (табл. 2), диаметр вальцов равным Дв=250 мм и частота вращения 678 мин-1. Результаты расчетов времени деформации по культурам, представлены в графе 5 табл.3.
Таблица 3 - Кинетика взаимодействия рабочих органов с зерном
культура длина, 1 ширина, Ь толщина, ^ мм время деформации зерна, с-10"5
молотковая дробилка центробежный измельчитель вальцовая пара, ф/с дисковая пара
1 2 3 4 5 6
ячмень 7.0.14.6 2.0...5.0 1.4...4.5 10.22 3,0...7,6 2,2.6,9 3 5 26 722 5. 0. ,0 3 1 7 4°.10° 100...260 420-1050
пшеница 4.0...8.6 1.6...4.0 1.5...3.8 6,1.13,2 2,5.6,15 2,3.5,8 20.44 7,9.20 7,3.19 4°15.8°50 110...230 315.798
овес 8,0.18,6 1.4...4.0 1.2...3.6 12.28 2,1...6,1 1,8.5,5 41.94 7,0.20 5,9.18 3°.8°30 70...210 252.756
горох 4.0...8.8 3.7...8.0 3,5.8,0 6,1.13 5.6.12 5.3.12 20.44 18.41 17.41 8°30.13° 220...330 735.1680
Для центробежного измельчителя (графа 4 табл. 3) процесс взаимодействия элементов дисков с зерном разделен на 3 стадии скоростями (29; 43,5; 58) м/с с одинаковой степенью измельчения между ними равной 2 [4].
Деформация зерна дисковой парой (рис 5) включает время деформации в границах подающих бороздок А, релаксации площадками В подающего пояса и аналогичные составляющие модульного пояса. Наружный диаметр дисков Яд=280 мм, частота вращения подвижного-нижнего диска 600 мин-1.
а - в - границы подающих бороздок; а, в - углы подъема дна бороздок в аксиальном и радиальном направлениях; оп-эпюры напряжений; Ид -
толщина диска
Рисунок 5 - Г еометрия элементов приемного пояса дискового
измельчителя
Рабочие поверхности нижнего диска (рис. 5) находились по зависимостям: площадь бороздок подающего пояса -
Зерно, попадая в подающую бороздку, перемещается по ее дну в радиальном и аксиальном направлении и сжимается приемным конусом верхнего неподвижного диска до напряжений оп. Деформация сохраняется
р(я2 - я2Р); * (і+1) ’
(9)
площадь площадок релаксации
(10)
площадь модульного пояса
Рм = (Р8+ Ер)-1,
(11)
где 1 - степень измельчения.
на площадке релаксации, а энергия частично рассеивается. Переместившись в положение Я;, зерно вновь сжимается верхним конусом и так далее, достигая разрушающих деформаций. Достигнув границы подающего пояса Яп,продукты предварительного измельчения попадают в модульный пояс, где доводятся до нужных размеров.
Анализ данных таблицы 1 и 3 показывает, что время разрушения объектов измельчения молотковыми дробилками и центробежными измельчителями величины одного порядка (графы 3 и 4) табл. 3. Близки по значениям и величины удельной энергоемкости. При этом содержание мучной пыли варьирует от 20 до 40 процентов, что характерно для динамического режима.
Время деформации зерен вальцами в разы больше и ближе к статическому режиму (рис 2), а энергоемкость, приведенная к конечному результату (мелкий помол) в 2 и более раза ниже времени измельчения зерна дисковой парой оригинальной геометрии (положительное решение на патент №2012 142839/13 (068860) от 11.11.2013) (рис 5) по результатам расчетов составляет от (252...1680) с-10"5 и, в зависимости от регулировки, в среднем, 2.4 раза больше чем у вальцовой пары. При этом энергоемкость измельчения (средний помол) по приведенным культурам составляет от 1,41.1,96 кВт-ч/кг. Содержание фракции <1 мм на поддоне рассева 2,7% в том числе муки <0,25 мм 1,1%.
Приведенный анализ процесса деформации УВМ, каким является зерно, позволяет сделать вывод о целесообразности разработки многостадийных типов измельчителей, позволяющих существенно снизить энергоемкость процесса измельчения и улучшить фракционный состав продуктов помола.
Литература
1. Гуриненко Л. А. Физико-механические предпосылки снижения энергоемкости процесса измельчения зерна / Л. А. Гуриненко, В.В. Иванов, А.М. Семенихин и др. // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК.сборн. науч. статей по материалам V Международной научно-практической конференции, Ставрополь. -АГРУС, 2010 - с. 67-71.
2. Гуриненко Л. А. Энергосберегающий ступенчатый измельчитель зерна/ Л. А. Гуриненко, В.В. Иванов, А.М. Семенихин // Состояние и перспективы развития сельхозмашиностроения. Ростов-на-Дону. Материалы 5-й международной научнопрактической конференции «Интерагромаш - 2012», с. 61-64.
3. Коваленко В.П. Механизация технологических процессов в животноводстве /
В.П. Коваленко, И.М. Петренко. - Краснодар, Агропромполиграфист, 2003. - 432с.
4. Ляпин В.В. Совершенствование рабочего процесса ударно-центробежного измельчителя / Автореф. дис.... канд. техн. наук / Воронежский государственный аграрный университет им. К. Д. Глинки. - Воронеж, - 2009. - 18с.
5. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: «Колос». Ленингр. Отделение, 1978. - 580с.
6. Особов В. И. Машины и оборудование для уплотнения сено-соломистых материалов / В.И. Особов, Г.Н. Васильев, А.В. Голяновский.// М.: «Машиностроение», 1974, 231с.
7. Ржаницын А.Р. Некоторые вопросы механики систем, деформирующихся во времени. М. - Л.: Г осударственное издательство технико-теоритической литературы, 1949. - 252с.
8. Сельскохозяйственная техника: Кат., т. 4 «Техника для животноводства». - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 336с.
9. Смышляев А. А. Совершенствование рабочего процесса центробежного измельчителя фуражного зерна/ Автореф. дис.. канд. техн. наук / Алтайский государственный технический университет им. Ползунова. - Барнаул, - 2002г. - 23 с.
10. Сыроватка В. И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. - М.: ГНУ ВНИИМЖ, 2010. - 248 с.
References
1. Gurinenko L.A. Fiziko-mehanicheskie predposylki snizhenija jenergoemkosti processa izmel'chenija zerna / L.A. Gurinenko, V.V. Ivanov, A.M. Semenihin i dr. // Aktual'nye prob-lemy nauchno-tehnicheskogo progressa v APK.sborn. nauch. statej po materialam V Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Stavropol'. - AG-RUS, 2010 - s. 67-71.
2. Gurinenko L.A. Jenergosberegajushhij stupenchatyj izmel'chitel' zerna/ L.A. Gurinenko, V.V. Ivanov, A.M. Semenihin // Sostojanie i perspektivy razvitija sel'-hozmashinostroenija. Rostov-na-Donu. Materialy 5-j mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Interagromash - 2012», s. 61-64.
3. Kovalenko V.P. Mehanizacija tehnologicheskih processov v zhivotnovodstve / V.P. Kovalenko, I.M. Petrenko. - Krasnodar, Agroprompoligrafist, 2003. - 432s.
4. Ljapin V.V. Sovershenstvovanie rabochego processa udarno-centrobezhnogo iz-mel'chitelja / Avtoref. dis_. kand. tehn. nauk / Voronezhskij gosudarstvennyj agrar-nyj uni-versitet im. K.D. Glinki. - Voronezh, - 2009. - 18s.
5. Mel'nikov S.V. Mehanizacija i avtomatizacija zhivotnovodcheskih ferm. L.: «Kolos». Leningr. Otdelenie, 1978. - 580s.
6. Osobov V.I. Mashiny i oborudovanie dlja uplotnenija seno-solomistyh mate-rialov / V.I. Osobov, G.N. Vasil'ev, A.V. Goljanovskij.// M.: «Mashinostroenie», 1974, 231s.
7. Rzhanicyn A.R. Nekotorye voprosy mehaniki sistem, deformirujushhihsja vo vremeni. M. - L.: Gosudarstvennoe izdatel'stvo tehniko-teoriticheskoj literatury, 1949. - 252s.
8. Sel'skohozjajstvennaja tehnika: Kat., t. 4 «Tehnika dlja zhivotnovodstva». - M.: FGNU «Rosinformagroteh», 2008. - 336s.
9. Smyshljaev A.A. Sovershenstvovanie rabochego processa centrobezhnogo iz-
mel'chitelja furazhnogo zerna/ Avtoref. dis____kand. tehn. nauk / Altajskij gosudarst-vennyj
tehnicheskij universitet im. Polzunova. - Barnaul, - 2002g. - 23 s.
10. Syrovatka V.I. Mashinnye tehnologii prigotovlenija kombikormov v hozjaj-stvah. - M.: GNU VNIIMZh, 2010. - 248 s.
