CC BY
25
/-N
ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
V___
УДК 631.363.21
ПАРАМЕТРЫ ВАЛЬЦОВОЙ СТУПЕНИ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО
ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА
© 2016 г. A.M. Семенихин, В.Н. Шкон дин, Л.А. Гуриненко, В. В. Иванов, А.П. Баимов
Эффективность применения комбикормов из черновых компонентов в значительной степени зависит от их фракционного состава, соответствия требованиям ГОСТ и зоотехническим рекомендациям. Отклонение от этих технологических требований снижает эффективность использования дорогих кормовых ресурсов (20-30%). Широко распространенные для измельчения хрна в комбикормовой промышленности молотковые дробилки не отвечают требованиям энсргорссурсосбсрсжсния: в продуктах помола содержится 20-40% частиц менее 1.0 мм и от 7 до 9% - менее 0.25 мм. а энергоемкость процесса находится в диапазоне 15 кВт ч/т. Поэтому поиски новых технологических приемов переработки кормов и разработка технических средств нового поколения в направлении энерго- и ресурсосбережения для производства комбикормов в хозяйственных условиях являются актуальными. Целью исследования в данной статье является разработка аналитических зависимостей функционирования вальцовой ступени двухступенчатого измельчителя зерна, обоснование се параметров и режимов работы теоретико-экспериментальными методами на основе теории деформирования упруго-вязких материалов. Изложена возможность и предложено техническое решение (¡кэширования дефектов прочности :$ерна кормовых культур «прокатыванием», адаптированным к его упруго-вязким свойствам с последующим разделением на требуемые фракции без обра:ювания мучки. Составлены аналитические зависимости для определения подачи и мощности на выполнение процесса, экспериментально определены необходимые характеристики зерна и регу лировки рабочего пространства.
Ключевые слова: зерно, подача, скорость, зазор. валец, напряжение, прокатывание, коэффициент восстановления, момент сопротивления, модуль, релаксация.
The effectiveness of mixed fodders of grain components largely depends on the fractional composition, compliance with the requirements of GOST and zooteclmical recommendations. Deviation from these technological requirements rcduccs the effectiveness of the use of expensive forage resources (20-30%). Hammer mills that arc w idespread for grain refinement in the feed industry do not meet the requirements of energy saving: grinding products contain 20-40% of particles that arc less than 1.0 mm and 7 to 9% - less than 0.25 . and power consumption of the process is in the range 15 kWh/t. Therefore, the search for new technological methods of forage processing and the designing of technical means of the new generation in the energy and resource saving direction for the production of animal feed in the farm conditions are relevant. The purpose of research in this paper is the development of analytical dependences of operation of two-stage grain shredder roller stage, substantiation of its parameters and operating modes by theoretical and experimental methods that arc based on the theory of viscoelastic materials deformation. There is resented the opportunity and suggested technical solution of forming grain strength defects of fodder "by rolling", that arc adapted to its viscoclastic properties, followed by separation on the required fraction without the formation of flour. There arc composed analytical dependence for determining the supply and capacity to perform the process, experimentally determined the necessary characteristics of grain and adjustment of the workspace.
Keywords: grain, supply, speed, nip. roll, tension, rolling, rccovcry rate, resistance moment, modulus, relaxation.
Введение. Объем производства продукции животноводства принято рассчитывать, исходя из количества и качества комбикормов. Для выполнения программы развития животноводства до 2020 года производство комбикормов необходимо увеличить в 5 раз. В настоящее время более половины животноводческих и около 70% птицеводческих хозяйств используют комбикорма собственного производства, гарантирующие повышение их качества и снижение себестоимости на 25-30% [1].
Обеспечить инновационное развитие этой отрасли в структуре АПК ее технологические и технические показатели возможно на основе реализации последних научных разработок, изготовления, испытания и постановки на производство интеллектуальной техники для прецизионных технологий [2].
Низкое качество комбикормов заводского производства, всего 2% соответствуют нормативам по питательности и зо-отребованиям, и высокая стоимость, возросшая более чем в 50 раз за последние 10 лет, определили стратегию структурных изменений отрасли - развитие и совершенствование комбикормового производства в хозяйствах становится ключевым факто-
5
Условие захвата зерна парой вальцов известно в виде а < (р, в котором (р - угол трения. Тогда для известных размеров зер-
ром стабилизации и повышения эффективности животноводства [2, 3].
Широкое распространение молотковых дробилок в заводских технологических линиях приготовления комбикормов, их высокая энергоемкость (8,8-11,5) кВт ч/т, переизмельчение зерна (до 40% содержание пылевидных частиц), образование пыли не соответствуют требованиям энергоресурсосбережения, безопасности и стратегии инновационного технического перевооружения отрасли.
Анализ результатов исследований и технических решений, созданных на их основе, позволяет сформулировать требования к процессу измельчения кормового зерна с учетом его строения и специфических реакций на разрушающие нагрузки в рабочем пространстве технологического устройства [4].
Методика исследования. Наращивание дефектов прочности зерновок и разрушение до требуемых стандартом размеров частиц может быть достигнуто непрерывным или ступенчатым нагружением без опережающих напряжений в междисковом или вальцовом пространстве (рисунок 1) измельчителя.
на с1э и фрикционных характеристик поверхностей минимальный радиус вальцов определяется по зависимости
сЛ, соэ т — 5,
2(1 - СОБ ф)
(1)
Устойчивая работа вальцовой пары и ется условием захвата а (р, определяемо-подача зерна в рабочий зазор обеспечива- го по зависимости
1) + д„
а< агсша
(2)
где дР - рабочий зазор между вальцами, м; Подача вальцовой пары в установив-с/э-эквивалентный диаметр зерновки, м; шемся режиме определяется по зависимого - диаметр мелющих вальцов, м. сти:
От ~ (3)
где / - длина вальца, м;
У„ - скорость продуктового слоя
в рабочем зазоре, м-с"1; р - плотность зерна, кг/м3; ц/- коэффициент заполнения рабочего зазора равный (0,30-0,35).
Условие захвата мелющими вальцами реализуется в полосе варьирования фрикционных характеристик зерна и поверхностей вальцов в диапазоне (9-17°), эквивалентных размеров зерновок (5-12) мм и
технологического зазора др мм для соответствующих модулей помола: мелкий (0,1-0,2), средний (0,2-0,3), крупный (0,5-0,8).
Исследования упруго-вязких и механических характеристик зерна основных кормовых культур показали, что они варьируют в достаточно широких пределах и должны учитываться при анализе энергетики процессов измельчения (таблица 1)
м.
Таблица 1 - Геометрические, механические и технологические характеристики зерна (ячмень Вакула, пшеница Юка, овес Волгоградец)
Культура Длина, а Ширина, Ь Толщина, с\ мм Коэффициент трения,/^ Плотность зерновки, г/см3 Модули упругости, МПа Предел прочности, МПа
мгновенный длитель тельный статический динамический
Ячмень 10,8 3,5 3,0 0,36-0,59 0,33-0,47 1,3-1,4 17,9 7,06 7,28 12,96
Пшеница 6,3 2,8 2,6 0,36-0,58 0,31-0,53 1,2-1,5 19,6 6,17 6,62 11,98
Овес 13,3 2,7 2,4 0,41-0,61 0,38-0,58 1,2-1,4 14,6 5,08 4,03 7,04
/[ри.мечание:X - статический: [к - кинематический
Для описания процессов воздействия рабочих поверхностей вальцов на зерно в рабочем пространстве и оценки их энерге-
Нп£ +
тики воспользуемся упрощенным законом линейного деформирования, как достаточно универсальным и простым [5].
у=а + п&. (л\
где И и К - мгновенный и длительный о\\а - напряжение и его производная
модули упругости по времени.
соответственно, Па; Скорость произвольной точки А ра-
п - длительность релаксации, с; бочей поверхности вальца в проекциях на
- относительная деформация оси XV (рисунок 1) запишется в виде:
и ее производная по времени;
Ух со0 Нът(а-сооО\
Уу сооКсоБ(а-сооО, (5)
где соо - угловая скорость вальца, с"1; Тогда скорость относительной де-
Н - радиус вальца, м; формации зерновки в момент захвата АА,
а < ср - по условию захвата. из соотношений, составит:
* = -• (6)
а.у со5а
Далее зазор между вращающимися навстречу друг другу вальцами 31 изменяется по зависимости
6г=21<-[\ -со$(а ооЫ)]+Зр, (7)
и на уровне оси ОХ, (соо/ а) станет рав- 2УХ = 2Ксоо^т(сх-сооО к 31 (таблица 2) пред-
ным Зр - рабочему зазору. ставляет собой монотонную функцию в
Следует отметить, что отношение диапазоне регулировок Зр и углов захвата, суммарной скорости деформации
Таблица 2 - Кинетика деформации зерновок в рабочем пространстве вальцовой пары
{соо = 80 с"1, Я = 65 мм, со 1 = С02)
Параметры и режимы, ед. изм. Значения составляющих Примечание
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
а-со<)(, град. 15 12 10 8 6 4 2 0
sin (a cofjí) 0,259 0,208 0,174 0,139 0,104 0,069 0,035 0
cos(rx СО oí) 0,966 0,978 0,985 0,990 0,994 0,997 0,999 1,0
2FT(MM/C), 2693 2163 1809 1445 1081 717 364 0
SÍ 4,42 2,86 1,95 1,3 0,78 0,39 0,13 дР = о
СО - £ 609 756 927 1111 1385 1838 2800
ММ 6,42 4,86 3,95 3,30 2,78 2,39 2,13 0 3Р = 2 мм
2 / д ();. С 419 445 457 437 388 300 170 0
Ó,, ММ 5,42 3,86 2,95 2,30 1,78 1,39 1,13 0 6р = 1 мм
2 Ух 6 и с 496 560 613 628 607 515 322 0
3,, мм 4,92 3,36 2,45 2,8 1,28 0,89 0,63 0 Зр = 0,5 мм
2ív Si, с 547 601 738 802 844 805 577 0
Из данных таблицы 2 следует, что
максимальные значения 8, отношений суммарной скорости деформации 2УХ (5) к величин текущего зазора (7) имеют ме-
сто при малых др, что соответствует диапазону регулировок вальцов при размоле зерна. При увеличении рабочего зазора, скорости относительной деформации уменьшаются и в наиболее вероятном диа-
пазоне углов захвата зерновок монотонно Тогда решение (4) относительного о
нарастают в пределах 8-10% (таблица 2). возможно в виде [5]:
(7—8
К(+п(И-К)( \-е ")
(8)
где 6> с учетом (5) и (7):
£ =
2 Ух 2со0Яът(а — аЯ) 51 21<\\ - со<ь{а - сог)] + 8
• с
-1
(9)
С учетом (5) и (7), применительно к работе пары вальцов, ¿р запишется для рабочих напряжений:
2У.
Е1д+п{Н-Е){ 1-е ")
(10)
При попадании зерновки в рабочий зазор <5Р вальцовой пары соизмеряемый с её размерами, она деформируется в пределах упругости и покидает рабочее пространство. Задавая вальцам одного диаметра разные частоты вращения (со/ / С02), а зазору - величину, вызывающую необходимые остаточные деформации в структуре зерновки и дефекты в оболочках, можно подготовить ее к разделению на требуемые ча-
стицы без применения высоких скоростей и ударных (динамических) режимов, приводящих к образованию пылевидных фракций и перерасходу энергии на процесс. Прокатывание зерновок без концентрации и опережения напряжений возможно, как минимум, при условии полного оборота по поверхностям вальцов в пределах дуги деформации На:
К(С0; (о2)^и т!.„
(11)
где ~ а со'
со,
со.
После подстановки в (11) и решения относительно со ¡/со 2, получили с достаточной степенью точности:
жЬ, >—- +
аЯ
(12)
где ашах < <р - угла трения в град.
Из (12) следует, что соотношение угловых скоростей вальцов при выполнении процесса «прокатывания» зерен зависит от их размеров, фрикционных парамет-
ров и радиуса вальцов (1), который зависит от рабочего зазора 6Р.
При выходе из рабочего зазора (е = 2Ух / 8 = 0) напряжение <те в деформации потока составит с учетом (1): < -бр
= -. (13)
б/.
Площадь трапеции эпюры напряжений (рисунок 2) составит:
С7 + <7
V (Р 6 п
=—-лэта
Усилие Рг деформации потока зерна в рабочем зазоре вальцовой пары длиной определится по зависимости
<т +а
Ра = --Rsma
2
(15)
Рисунок 2 - Эпюры нагрузок вальцовой пары на зерновку
Тогда момент сопротивлению вращения пары вальцов определится, с учетом формы трапеции (рисунок 2), по формуле
Мс - i//tR{(T(р + <т )/? sin а , (16)
где h = Rsma oq/o^ м. (17)
Суммарная мощность на привод пары вальцов при co¡ со 2 сор - «прокатывание» отсутствует, с учетом (15) и (16) составит:
N = ye>ptR2sitia . (18)
Суммарная мощность на привод пары формации предразрушения «прокатыва-вальцов при co¡ > со2 и др соответствует де- ния»:
= ^ со^ ÍRl + ^ sin 2 ^ (19) 2 сг
Лабораторные исследования упруго-вязких, прочностных характеристик и фрикционных свойств зерна кормовых культур (таблица 1) свидетельствует о широком диапазоне их значений, зависящих от культуры, влажности и положения под
нагрузкой (формы) при захвате вальцами (рисунок 3).
Размеры зерен (таблица I) средние из 100 штук случайной выборки влажностью (10,4-12,1%).
1,20
0,00
ОД 0,2 0,3 0,4 0,Ь Относительная деформация, е
1
1 - основные положения: а - длина, в - ширина, с - высота; 2 - график экспериментальной зависимости коэффициента восстановления Рисунок 3 - Ориентация зерновок в процессе испытаний
Точка «излома» графика зависимости коэффициента восстановления соответствует нарушениям формы и появлению дефектов оболочек.
При определении пределов прочности зерновок разрушающее усилие относилось к площадям (мм2) поперечных сечений соответствующих положениям:
- горизонтальному Л'. тагс/4;
- боковому Яб жаЫЛ\
- вертикальному $в жас1А. Коэффициенты восстановления определялись для наиболее устойчивого горизонтального положения зерновки.
Плотность структуры зерновок опре-
делялась отношением массы к (мм'), определяемому по формуле
ооъему
У3 = ж(аЬс)16,
где а, Ь, с в мм. (18) и подачи (3) вальцовой пары. В зави-
Для составления аналитической мо- симости для определения подачи скорость дели процесса необходима связь мощности потока при «прокатывании» равна:
со, + со,
V' =
Я.
(20)
Эта составляющая имеется в зависимости (19), но отсутствуют величины др, р. Тогда модель процесса «прокатывания»
зерна вальцовой парой с учетом (3), (18) и (19) запишется в окончательном виде:
N.
Яр-Р-Са
1{$т2 а.
(21)
Представленная модель процесса связывает источник энергии и её потребителя - процесс «прокатывания», реализуемый с заданной подачей в технологическом устройстве с параметрами Я, I, со/, С02, д(Ъ что позволяет решать задачу минимизации энергозатрат в границах зоотехнических требований и ГОСТа на комбикорма.
Структура (21) свидетельствует о многофакторной зависимости мощности на «прокатывание». К управляемым незави-
симым факторам, однако, могут быть отнесены такие как: др, со и со 2 и О, которые определяют форму гиперплоскости функциями отклика что согласуется с результатами экспертной оценки работы двухступенчатой дробилки [7].
Результаты исследования. В лабораторных условиях исследовано влияние рабочего зазора на энергетику процесса «прокатывания» зерна пшеницы в диапазоне рабочих зазоров (0,5; 1,0; 1,5; 2,0) мм
(рисунок 4) с последующим доизмельчени- с частотой вращения 1350 оборотов в мнем молотковым барабаном дробилки Ф-1М нуту.
Рабочий зазор, мм
-N -М
Рисунок 4 - График экспериментальной зависимости мощности на прокатывание и модуль помола
Рабочая скорость молотков составляла 33,75 м/с. Модули помола представлены на графике (рисунок 4). При этом содержание пылевидной фракции в продуктах рассева находилась в диапазоне (1,2-5,9%). При рабочем зазоре 0,5 мм (помол) содержание фракции 0-1,0 составило 20,8%.
Выводы. Приведенный график подтверждает функционально обратно пропорциональную зависимость мощности от рабочего зазора. Измельчение предварительно деформированных зерновок молотковым барабаном с рабочей скоростью 33,75 м/с позволило получить модули помола для соответствующих регулировок рабочего зазора в диапазоне от 0,5 мм до 2,0 мм. При рабочем зазоре 1,5 мм модуль помола составил 2,98. Целые зёрна отсутствовали.
Литература
1. Сыроватка, В.И. Инновационные машинные технологии производства комбикормов в хозяйствах / В.И. Сыроватка // В сб.: Разработка инновационных технологий и технических средств для АПК. -Часть II. - Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2013. -С. 28-38.
2. Кормановский, Л.П. Точные технологии в животноводстве: состояние и пер-
спективы / Л.П. Кормановский // Техника в сельском хозяйстве. - 2004. - № 1. - С. 7-9.
3. Пахомов, В.И. Обоснование инновационной технологии и комплекса машин для производства и раздачи многокомпонентных, обогащенных и обеззараженных зерновых хлопьев повышенной питательности для животных / В.И. Пахомов, М.А. Тищенко, С.А Брагинец // В сб.: Разработка инновационых технологий и технических средств для АПК. - Часть II. -Зерноград: СКНИИМЭСХ, 2013. - С. 48-49.
4. Шкондин, В Н. Особенности деформации зерна рабочими органами измельчителей / В.Н. Шкондин и др. // Политематический сетевой журнал Кубанского государственного аграрного университета.
- 2014. - № 3. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru /2014//03/рс^ (дата обращения: 20.06.2014).
5. Ржаницын, А Р. Некоторые вопросы механизации систем, деформирующихся во времени / А.Р. Ржаницын // Государственное издательство технико-теоретической литературы. - Москва-Ленинград, 1949.-С. 33-50.
6. Иванов, В.В. Совершенствование режимов работы дискового измельчителя кормового зерна: автореферат диссертации кандидата технических наук / В.В. Иванов.
- Москва, 2015. - 19 с.
7. Шкондин, В.Н. Обоснование факторной модели двухступенчатого измельчителя зерна /В.Н. Шкондин // Современная техника и технологии. - 2016. - № 1. -Режим доступа: http://technology.snauka. ru/2016/01/9164.
References
1. Syrovatka V.l. Innovacionnye mash-innye tehnologii proizvodstva kombikormov v hozjajstvah [Innovative machine technologies of producing mixed fodder on farms], Raz-raboika innovacionnyh tehnologij i tehnich-eskih sredstv dlja APK, Part II, Zernograd, SKNllMJeSH, 2013, pp. 28-38.
2. Kormanovskij L.P. Tochnye tehnologii v zhivotnovodstve: sostojanie i per-spektivy [Precise technologies in animal husbandry: state and prospects], Tehnika v seV'shorn hozjqjstve, No.l, 2004, pp. 7-9.
3. Pahomov V.I., Tishhenko M.A., Braginec S.A. Obosnovanie innovacionnoj tehnologii i kompleksa mashin dlja proizvodstva i razdachi mnogokomponentnyh obo-gashhennyh i obezzarazhennyh zernovyh hlop'ev povyshennoj pitatel'nosti dlja zhivotnyh [Substantiation of innovative technologies and machinery complex for the production and distribution of multicomponent fortified and disinfected cereals with increased nutriment for animals], Razrabotka inno-vacionyh tehnologij i tehmcheskih sredsh> dlja
APK, Part 11, Zernograd, SKNI1MJESH, 2013, pp. 48-49.
4. Shkondin V.N. and others Osoben-nosti deformacii zerna rabochimi organami izmel'chitelej [Features of grain deformation by working bodies of shredders], Pofi-tematicheskij setevoj zhumal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (nauchnyj zhumal KuhGAl)% Krasnodar, KubGAU, 2014, No.3 (097), available at: http://ej .kubagro.ru/2014//03/pdf (reference date: 20.06.2014).
5. Rzhanicyn A.R. Nekotorye voprosy mehanizacii sistem deformirujushhihsja vo vremeni [Some questions of mechanization of systems that are deformable over time], Oosu-darstvetmoe izdatej'sivo Tehniko-leoreticheskoj IHerniary, Moscow - Leningrad, 1949, pp. 33-50 (252 p.)
6. Tvanov V.V. Sovershenstvovanie rezhimov raboty diskovogo izmel'chitelja kormovogo zerna [Improving the operating modes of the disk shredder of feed grain], Avtoref. dis. kand. teh., Moscow, 2015, 19 p.
7. Shkondin, V.N. Obosnovanie faktornoj modeli dvuhstupenchatogo izmel'chitelja zerna. [Substantiation of factor model of two-stage grain shredder], Sov-remennaja lehnika i tehnologii, 2016, No. 1, available at: http://technology.snauka.ru /2016/01/9164.
Сведения об авторах
Семенихин Александр Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)41-6-29.
Шкондин Владимир Николаевич - аспирант кафедры «Механизация технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-928-100-73-59. E-mail: [email protected].
Гуриненко Людмила Александровна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-918-507-08-02.
Иванов Вячеслав Владимирович - кандидат технических наук, инженер Института агроинженерных проблем, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-909-404-14-24. E-mail: [email protected].
Баимов Александр Павлович - студент кафедры «Механизация технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия).
Information about authors
Semenikhin Alexander Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Mechanization of the production and processing technology of agricultural products department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)29-06-41.
Shkondin Vladimir Nikolaevich - postgraduate student of the Mechanization of the production and processing technology of agricultural products department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-928-100-73-59. E-mail: [email protected].
Gurinenko Lyudmila Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of FSBET HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-918-507-08-02.
Ivanov Vyacheslav Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, engineer of Institute of agroengineering, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-909-404-14-24. E-mail: [email protected].
Baimov Alexander Pavlovich - student of the Mechanization of the production and processing technology of agricultural products department, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia).
