WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Оптимизация энергозатрат процесса измельчения зернового сырья путем совершенствования конструкции рабочих органов

На правах рукописи

Абдюкаева Альфия Фагитовна

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

Специальность 05.20.01 – «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Оренбург 2007

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук, профессор Петр Иванович Огородников
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Нина Константиновна Комарова кандидат технических наук, доцент Лариса Владимировна Межуева
Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства»

Защита состоится «14» декабря 2007 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 при ФГОУ ВПО Оренбургском государственном аграрном университете, по адресу: 460795, ГПС, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет». Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГОУ ВПО ОГАУ, www. orensau.ru «13» ноября 2007 г.

Автореферат разослан « 14 » ноября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор М.М. Константинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях потребления зерна, нормированный его расход при кормлении крупного рогатого скота имеет большую актуальность, тем более что конкуренция на рынке кормов постоянно требует поиска новых путей повышения качества кормовых смесей и снижения производственных затрат. Корм должен быть питательным, вкусным, чистым, легко перевариваться и хорошо усваиваться, не содержать примесей и вредных веществ, вредных для здоровья, неблагоприятно влияющих на качество животноводческой продукции. Это возможно лишь при кормлении крупного рогатого скота сбалансированной, высококачественной кормовой продукцией. Комбикормовая промышленность выпускает корма с добавками витаминов, микроэлементов, биостимуляторов и других лечебно профилактических препаратов. Питательная ценность определяется качеством их измельчения.

Широко применяемые в комбикормовой промышленности, в крестьянских и фермерских хозяйствах – измельчители закрытого, в основном, молоткового типа, являются достаточно энергоемкими. Установлено, что на измельчение (дробление или помол) ежегодно тратится не менее 5% всей производимой в мире энергии, включая энергию двигателей внутреннего сгорания. Такая большая доля в общем, энергетическом балансе подчеркивает место и важность использования процессов измельчения в жизнедеятельности человека, особенно это заметно сейчас в связи с увеличением стоимости электроэнергии. Поэтому обоснование процесса измельчения компонентов комбикормов с целью снижения энергозатрат является актуальным.

Цель исследования Обосновать влияние конструктивно-режимных параметров рабочих органов (ножей) кормодробилки на энергоемкость процесса измельчения зерновой массы.

Объект исследования. Технологический процесс измельчения зерна рабочими органами (ножами), выполненных в виде верзиеры.

Предмет исследования. Закономерности влияния геометрических параметров рабочих органов (ножа) на качество измельчения и энергозатраты.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель энергосберегающего процесса дробления сыпучих кормов с применением рабочих органов (ножей) в виде верзиеры.

2. Обосновать оптимальный угол заточки рабочих органов (ножей).

3. Обосновать конструкцию измельчителя зерна, работающего по совокупному принципу удара и резания со скольжением, обеспечивающего снижение энергозатрат

4. Определить закономерность энергоемкости процесса измельчения от геометрических параметров рабочих органов (ножей).

5. Дать технико-экономическую оценку кормодробилки с предлагаемыми рабочими органами (ножами) на процесс измельчения.

Научная новизна:

1. Обоснована математическая модель энергосберегающего процесса измельчения сыпучих кормов с применением рабочих органов (ножей) в виде верзиеры.

2. Предложен оптимальный угол заточки рабочих органов (ножей).

3. Обоснованы конструктивно-режимные параметры измельчителя зерна, работающего по принципу удара и резания со скольжением.

4. Определена зависимость энергоемкости процесса измельчения от геометрических параметров предложенных рабочих органов (ножей).

Практическая ценность работы заключается в обосновании рабочих органов установки для измельчения зерна, интенсифицирующих процесс измельчения, для чего:

- предложены новые рабочие органы (ножи) и установка для измельчения зерна (Патент № 47260; № 2263542);

- определены оптимальные режимные параметры процесса измельчения;

- методика техническо-экономического расчета, режимных параметров устройства для измельчения зерна.

Реализация результатов работы. Усовершенствованный измельчитель зерна и рабочие органы (ножи) рассмотрены Научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства Оренбургской области и приняты к внедрению на перерабатывающих предприятиях. Результаты исследований используются в учебном процессе, при изучении дисциплин на факультете «Механизации сельского хозяйства» ОГАУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на II Международной НТК «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», «Проблемы исследования и проектирования машин», IV Международной НТК «Материалы и технологии XXI века», IX Международной НПК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза 2005 – 2006гг.), Международной конференции «Современные проблемы науки и образования» (Москва 2007г), Международной конференции журнал «Сельский механизатор» (Москва 2007г).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 работ и получено 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

На защиту выносится:

1 Математическая модель процесса измельчения с предлагаемыми рабочими органами (ножами) в виде верзиеры;

2 Область оптимальных значений угла заточки рабочих органов (ножей);

3 Зависимость энергоемкости процесса измельчения от геометрических параметров предложенных рабочих органов (ножей);

4 Технико-экономическая оценка кормодробилки с рабочими органами измельчителя зерна.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 208 страницах. Список литературы из 140 наименований (в том числе 11 на иностранном языке), содержит 18 рисунков, 22 таблицы, 4 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы проведенных исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние и пути совершенствования рабочих органов зерновых молотковых дробилок» показано, что широко применяемые в комбикормовой промышленности, в крестьянских и фермерских хозяйствах дробилки закрытого являются достаточно энергоемкими. Основное внимание в наших исследованиях было уделено процессу измельчения компонентов комбикормов в молотковых дробилках, совмещающих в себя эффект удара молотком и резания со скольжением, с целью снижения энергозатрат. Вопросам разработки теории молотковой дробилки свои труды посвятили Горячкин В.П., Макаров И.В., Алешкин В.А., Елисеев В.А., Мельников С.В., Плохов Ф.Г., Леонтьев П.И., Рощин П.М., Сыроватка В.И., Хусид С.Д., Гернета М.М. и другие авторы, позволившие получить ценные материалы и рекомендации по совершенствованию, улучшению дробильных машин и их рабочих органов при измельчении зерна. Проведен тщательный анализ рабочих органов молотковой дробилки на снижение энергозатрат.

Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса измельчения зерна» анализ теоретических исследований по процессу измельчения фуражного зерна в рабочей камере измельчителя показал, что большинство этих исследований основаны на внешних факторах, то есть на конструктивно-технологических параметрах рабочих органов, физико-механических свойствах измельчаемого сырья и готового продукта.

Процесс разрушения осуществляется в рабочей камере измельчителя при взаимодействии рабочих органов (ножей, сит) с объектом переработки – пшеницы, ячменя, гороха, овса. Результатом взаимодействия является образование готового продукта, то есть получение корма для скармливания животным.

В итоге процесс разрушения характеризуется следующими основными параметрами это - затраты энергии на измельчение зерна и качество получаемого продукта.

Затраты энергии на измельчение материала в установке для измельчения зерна является сложной функцией многих переменных величин: физико-механических свойств измельчаемого материала, технологических и конструктивно-геометрических параметров рабочих органов.

Для измельчителя закрытого типа эта функция может быть выражена формулой:

, (1)

где - затрачиваемая работа на измельчение, Дж/с;

- производительность измельчителя, кг/с;

- разрушающее напряжение, Н/м

- коэффициент совершенства технологического процесса (способ разрушения);

- энергия, необходимая на образование 1 м2 новой поверхности,

Дж/м2;

- зазор между концами рабочих органов и ситом, м;

- толщина ножей, м;

- коэффициент соотношения между измельчаемым продуктом и количеством поступившего воздуха;

- коэффициент степени износа;

- степень размола;

- зона подачи материала в кормодробилку;

- КПД процесса измельчения;

- механический коэффициент полезного действия;

- коэффициент учитывающий живое сечение сита;

- угол заточки ножа, рад.

Данная функция (1) находится в определенных соотношениях и связана между собой. Некоторые составляющие имеют теоретические зависимости, другие требуют дальнейшего исследования. Из данной функции исследовались следующие составляющие: - производительность измельчителя, кг/с; - толщина ножей, м; - угол заточки ножа, рад.

Внутри рабочей камеры измельчителя движется кольцевой слой или поток измельчаемого материала. Поток определяется скоростью движущихся частиц , площадью поперечного сечения и средней плотностью материала . Чем больше скорость, тем больше материала пройдет через сечение и большее усилие потребуется со стороны рабочих органов для его перемещения.

Рассмотрим процесс взаимодействия рабочего органа измельчителя – ножа с потоком измельчаемого материала.

По теореме о количестве движения сила давления потока на лобовую поверхность рабочих органов - ножей, движущихся со скоростью , направлена по нормали к поверхности и равна:

, (2)

где - сила давления потока, Н;

- масса перемещаемого материала, кг;

- скорость потока, м/с;

- начальная скорость, м/с.

 Схема взаимодействия частиц материала с ножом Если нож взять с-29

Рисунок 1. Схема взаимодействия частиц материала с ножом

Если нож взять с эксцентричным расположением, а лезвие ножа относительно от оси вращения на расстоянии , то линейную скорость можно разложить на нормальную и тангенциальную , тогда:

, касательный удар;

, удар со скольжением;

, прямой удар; , удар со скольжением.

изменяется по закону прямой, а сохраняет свою постоянную величину для всех точек лезвия:

; ;

;

Выше представленные выражения показывают, что в зоне R1 измельчаемого продукта больше, чем в зоне R3.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена программа и методики проведения лабораторных и производственных экспериментов.

В процессе проведения экспериментов решены следующие основные вопросы:

  1. Исследовано качество измельчения фуражного зерна в рабочей камере измельчителя;
  2. Изготовлена установка для измельчения зерна;
  3. Изготовлены рабочие органы - ножи с разным углом заточки;
  4. Изготовлен комплекта сит с диаметром 1,2; 2; 3; 4 мм;
  5. Определено соотношение между удельным расходом энергии и модулем размола;
  6. Определена энергоемкость процесса измельчения в каждом опыте путем расчета удельного расхода энергии;
  7. Обработаны и проанализированы результаты экспериментальных исследований.

Изучив вопрос резания материала, и проведя анализ существующих машин, было спроектировано и изготовлено устройство для измельчения зерна [Патент № 2263542] и рабочие органы (ножа) [Патент № 47260].

Данный измельчитель применяется для проверки и подтверждения теоретических зависимостей, приведенных во второй главе, а также дальнейшего изучения процесса измельчения фуражного зерна.

Работает устройство по способу разделения зерна на отдельные части вследствие удара, излома и истирания между рабочими органами измельчителя. Крупность измельчения задается диаметром отверстий штампованного сита: 4; 3; 2; 1,2.

 Устройство для измельчения 1- корпус, 2- патрубок для загрузки,-43

Рисунок 2. Устройство для измельчения

1- корпус, 2- патрубок для загрузки, 3- заслонка, 4,5- диски, 6- ножевой блок, 7- нож, 8- ротор, 9- рама, 10- электродвигатель.

К установке для измельчения зерна изготовлены три комплекта ножей:

1. угол заточки равен 00;

2. угол заточки равен 600;

3. часть ножа заточена под углом 450.

При определении энергии, потребной для измельчения зерна экспериментальной установкой, использовался счетчик типа Нdc3. Электросчетчик Нdc3 предназначен для учета электрической энергии, с номинальной частотой 50 Гц, рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от 00 до 400С и относительной влажности 80%. Класс точности счетчика – 2,5, чувствительность 7%. Изоляция между всеми обмотками счетчика и металлическими частями корпуса испытана пробой напряжением 2 кВ переменного тока частотой 50 Гц. Потребляемая мощность параллельной обмотки каждого элемента при неподвижном диске и отсутствии в последовательной обмотке тока не превышает 1,5 кВ.

Для измерения мощности, тока и напряжения использовали следующие приборы. Ваттметр Д 539 по ГОСТ 8476-60 для измерения мощности, рассчитан на нормальную область частот 45-65 Гц и расширенную область 65-500 Гц (для 150-600В), амперметр Э 59 для измерения тока, рассчитан на нормальную область частот 45 – 55 Гц и расширенную 55 – 500 Гц и вольтметр для измерения напряжения, класс точности 0,5.

Основная погрешность приборов в нормальной области частот от 45 до 65 Гц при измерении токов до 10 А, напряжения от 75 до 600В и мощностей соответствующих указанным величинам токов и напряжений, не превышает ±0,5% от конечного значения рабочей части шкалы.

Время опыта замерялось с помощью секундомера С-11-1б. Взвешивание отобранных проб проводили на весах типа ВЛК - 500. Относительная ошибка взвешивания осуществлялась с точностью до 0,005 кг.

Степень измельчения всей массы сыпучего материала, как статистической совокупности, оценивается по содержанию в ней классов (фракций) определенных размеров, т.е. по гранулометрическому составу. В исследовательской практике для определения гранулометрического состава твердых материалов используется ситовой, седиментационный микроскопический анализ.

При выполнении опытов качество измельчения продукта определялось ситовым способом. Классификатор подачи измельченного материала на фракции с целью определения его гранулометрического состава называется ситовым анализом. Классификатор предназначен для просеивания сыпучих продуктов при определении и контроле дисперсности, а также для распределения частиц по размеру на круглых ситах с внутренним диаметром обечайки 200 и 300 мм. Частота колебаний ситового пакета от 180 до 200 колебаний в минуту. Потребляемая мощность 25 Вт. Для классификатора применялись сита металлические пробивные ГОСТ 3924-45 с круглыми отверстиями диаметром 4, 3, 2,5; 2; 1,5 и 1 мм.

 Классификатор лабораторный В четвертой главе «Результаты-44

Рисунок 3. Классификатор лабораторный

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» проведена обработка статистического материала, полученного в ходе лабораторного и производственного экспериментов.

Полученные значения исследования записывались в сводную таблицу. В результате анализа и обработки результатов получили значения, с помощью которых выявили угол заточки ножа влияющего на снижение энергозатрат рисунок 4 - 5.

 Влияние угла заточки ножа на энергоемкость при измельчении-45

Рисунок 4. Влияние угла заточки ножа на энергоемкость при

измельчении пшеницы

 Влияние угла заточки ножа на энергоемкость при измельчении-46

Рисунок 5. Влияние угла заточки ножа на энергоемкость при

измельчении ячменя

Проведя анализ графических зависимостей пришли к выводу, что измельчитель зерна, работающий по принципу резания со скольжением, обеспечивает снижение энергозатрат т.е. мощности за счет минимального угла заточки ножа, который составляет 45 градусов (рисунок 4). Причем такой вид ножа обеспечивает малый износ рабочих органов и дает выход зерна с равномерным гранулометрическим составом.

Для построения поверхности отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла заточки, строится матрица исследования с параметрами-столбиками: мощности для гороха, для ячменя, для овса, для пшена, подача зерна и угла заточки.

Строчками-наблюдениями в матрице исследования является значения рассматриваемых параметров исследования.

Методом наименьших квадратов построена модель для параметрического прогноза мощности. Параметрами - аргументами в этих моделях были подача зерна и угол заточки ножа.

По этим моделям были посчитаны модельные значения и построены поверхности (отклики) мощности для гороха, мощности для ячменя, мощности для овса, мощности для пшеницы. Эти значения представлены на модельных графиках соответствующих мощностей. Поверхности отклика представлены на рисунке 5.

Исследования процесса измельчения с использованием рабочими органами (ножами) с углом заточки, которых составили 0, 60, 45 градусов и предлагаемой установки проводили по разработанной методике Брандона и регрессионным уравнениям. Путем соответствующей обработки получили математическую модель, определяющую мощность – N(), затрачиваемую установкой, подачу зерна – m() и угол заточки ножа – (), которая описывается уравнениями регрессии. В окончательном виде уравнение имеют следующий вид:

а) характеризующий показатель измельчения зерна пшеницы

 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и-50

 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и-51

Рисунок 6. Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла заточки для пшеницы

б) характеризующий показатель измельчения зерна овса

 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и-52

 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и-53

Рисунок 7. Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла заточки для овса

в) характеризующий показатель измельчения зерна ячменя

 оверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и-54

 оверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла-55

Рисунок 8 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла заточки для ячменя

г) характеризующий показатель измельчения зерна гороха

 оверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла-57

Рисунок 9 Поверхность отклика по мощности, как функции от подачи зерна и угла заточки для гороха

Наиболее значимым по вкладу параметром в модель для зависимой переменной, то есть снижения энергозатрат, является угол заточки ножа, который имеет 45 градусов.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность научных исследований» годовая экономия от снижения себестоимости выполнения операций составляет 8325 руб. Срок окупаемости составляет 1,03 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих научных исследований в области измельчения зерна показал, что снижение энергозатрат можно обеспечить путем изменения конструктивно-режимных параметров рабочих органов (ножей) совмещающих в себе ударный эффект молотка и резание со скольжением.

2. Предложенный оптимальный угол заточки рабочих органов (ножей) =450, позволяет существенно снизить энергозатраты на процесс измельчения зерна. По различным культурам при =450, m=0,3 кг/с получены следующие данные:

- гороха – N=549,19 Вт/т;

- пшеницы – N=488 Вт/т;

- ячменя – N=517,3 Вт/т;

- овса - N=478,7 Вт/т.

3. Разработанная математическая модель энергосберегающего процесса измельчения сыпучих кормов с применением рабочих органов (ножей) в виде верзиеры позволяет оперативно спрогнозировать затраты энергии и производительность установки. Расчеты показали, что при Q=1 т/ч энергозатраты составили 8%, а при Q=3 т/ч энергозатраты составили 15%.

4. Предложенная зависимость энергоемкости процесса измельчения от геометрических параметров рабочих органов (ножей) позволяет оценить уровень энергозатрат от 11% до 15% и равномерность гранулометрического состава кормов от 3% до 8,2%.

5. Форма рабочих органов (ножей) выполненных в виде верзиеры, их конструктивные и геометрические параметры позволили не только снизить энергоемкость процесса, но и улучшить равномерность гранулометрического состава измельченного продукта. Количество пылевидной фракции уменьшилось на 5,7%.

6. Применение кормодробилки в кормоцехе, позволяет снизить трудоемкость приготовительных работ на 12,5 %, при этом стоимость лабораторной установки в 1,5 раза ниже стоимости прототипа КДУ - 2. Увеличение производительности кормодробилки позволило повысить производительность кормоцеха с 3200 до 3650 тонн в год. Себестоимость одной тонны корма снижается на 4,66 руб., а удельные капитальные вложения на 4,8 руб.

7. Проведенные технико-экономические расчеты позволили получить годовой экономический эффект 8325 руб., срок окупаемости составляет 1,03 года, показатели резерва потенциальной эффективности - 0,31.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Абдюкаева А.Ф., Огородников П.И. Измельчитель снижает затраты на 15 %. Журнал «Сельский механизатор» № 8, Москва, 2007 г, с. 18.

Список работ, отражающих содержание диссертации

2. Абдюкаева А.Ф. Основные закономерности измельчения кусковых материалов и зернопродуктов, - Москва, 2004, Деп. в ВИНИТИ № 433 – В2004, - 9 с.

3. Абдюкаева А.Ф., Припадчев А.Д. Современное представление о параметрах процесса измельчения продукта в молотковых дробилках, - Москва, 2004, Деп. в ВИНИТИ № 434 – В2004, - 8 с.

4. Устройство для измельчения / А.Ф. Абдюкаева, А.Д. Припадчев, П.И. Огородников // патент РФ № 2263542, выдан 10.11.2005.

5. Нож к устройству для измельчения / А.Д. Припадчев, А.Ф. Абдюкаева, П.И. Огородников // патент РФ на полезную модель № 47260, выдан 27.08.2005.

6. Абдюкаева А.Ф., Огородников П.И. Оптимизация энергозатрат процесса измельчения зернового сырья путем совершенствования конструкций рабочих органов. Журнал «Современные проблемы науки и образования» № 1, Москва 2007 г. - ИД «Академия Естествознания» с. 19 - 25.

7. Абдюкаева А.Ф., Припадчев А.Д. Влияние геометрических параметров инструментов на измельчение зерна. IX Международная научно – практическая конференция «Современные технологии в машиностроении», - Пенза, 2005 г.- с. 192-194.

8. Абдюкаева А.Ф. Влияние угла заточки ножа на энергоемкость в кормодробилки. II Международная научно – техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», - Пенза 2006 г. – с. 77-78.

9. Абдюкаева А.Ф. К расчету энергозатрат процесса измельчения зернового сырья в кормодробилки. II Международная научно – техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», - Пенза, 2006 г. – с. 5-6.

10. Абдюкаева А.Ф., Припадчев А.Д. Устройство и геометрические характеристики инструментариев для измельчения зерна. IV Международная научно – техническая конференция «Материалы и технологии XXI века», - Пенза 2006 г. – с. 234-236.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.