Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Обоснование параметров малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства
Балданов Мунко Базарович
Новосибирск 2008
Работа выполнена на кафедре «Механизации сельскохозяйственных процессов» ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова».
Научные руководители:
кандидат технических наук, доцент И.Б. Шагдыров
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор И.Я. Федоренко
кандидат технических наук Г.Ф. Бахарев
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Обеспечение населения продукцией животноводства является одной из главных задач агропромышленного комплекса России. В связи с этим в ходе реализации приоритетного национального проекта «Развитие агропромышленного комплекса», особое внимание уделяется проблемам животноводства и кормопроизводства.
Важнейшим условием успешного развития животноводства является создание прочной кормовой базы, совершенствование технологий и средств механизации процесса производства и переработки кормов.
В механической технологии приготовления кормов самым распространенным и важным процессом является измельчение, обусловленное требованиями физиологии кормления животных и птиц. Для измельчения зернового сырья применяют различные по конструктивному исполнению молотковые дробилки. При тонком измельчении эти измельчители дают до 30% пылевидной фракции, а при грубом - до 20% не измельченных зерен. Переизмельчение зернового материала приводит к дополнительным потерям энергии, при этом измельчители потребляют от 10 до 15 кВт·ч на одну тонну измельченного продукта.
В связи с этим обоснование параметров малогабаритного измельчителя, работающего по способам измельчения «удар влет» и «скалывание-срез» является актуальной народнохозяйственной задачей.
Цель исследования. Повышение эффективности процесса измельчения фуражного зерна за счет использования монолитных молотков в измельчителе.
Объект исследования. Технологический процесс измельчения фуражного зерна в малогабаритном молотковом измельчителе, работающего по способу измельчения «удар влет» и «скалывание-срез» с получением готового продукта заданного гранулометрического состава.
Предмет исследования - закономерности процесса измельчения фуражного зерна в малогабаритном молотковом измельчителе.
Методы исследования - В процессе работы проводились аналитические и экспериментальные исследования с использованием метода активного планирования эксперимента, методов испытаний сельскохозяйственной техники с использованием стандартных и частных методик с последующей обработкой результатов методами математической статистики. Применялся также метод научного прогнозирования с использованием анализа и обобщения материалов литературных источников.
Научная новизна.
- получены аналитические и экспериментальные зависимости удельного расхода энергии и модуля помола от технологических, конструктивно - кинематических факторов и обоснованы основные параметры малогабаритного молоткового измельчителя;
- получено дифференциальное уравнение движения системы «барабан-молоток» с использованием уравнения Лагранжа второго рода;
- получены математические модели оптимизации процесса измельчения фуражного зерна в малогабаритном молотковом измельчителе;
- разработана методика расчета монолитного молотка измельчителя.
Практическая значимость: Определены рациональные параметры и режимы работы малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна, обеспечивающие снижение удельной метало- энергоемкости процесса измельчения при качестве получаемого продукта, отвечающим зоотехническим требованиям. Разработаны техническая документация на изготовление и рекомендации по эксплуатации малогабаритного измельчителя.
Реализация результатов исследования. Техническая документация малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна принята к внедрению Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Бурятия для хозяйств республики. Измельчитель внедрен в зерноводческих хозяйствах Джидинского района РБ: ООО«Алцак», ООО«Бага Нарин», ООО «Верхний Торей», ОАО «Совхоз Оерский», ООО «Бургалтай», СПК «60 лет Октября». Внедрения подтверждены актами. Материалы исследования рассмотрены и утверждены Советом по аграрной политике при министерстве сельского хозяйства и продовольствия РБ (протокол № 2 от 7 октября 2008 г.).
Апробация. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях: БГСХА (г. Улан-Удэ, 1998…2007 г.), ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2007-2008 г.), БГУ (г. Улан-Удэ, 2007-2008 г. г.), АГАУ (г. Барнаул, 2008 г), ГНУ СибИМЭ (г.Новосибирск, 2008)
На III ежегодной республиканской ярмарке РБ «Сельхозтехника-2005» присужден диплом I степени.
Публикация. Основное содержание диссертации изложено в 21 работах, опубликованных в сборниках научных трудов, журналах и материалах международных конференций, в том числе две статьи в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии и приложений. Общий объем составляет 157 страниц, из них 112 страниц основного текста. Работа содержит 48 рисунков, 22 таблицы, 19 приложений. Библиографический список включает 127 источников.
Содержание диссертации
Во введении показана актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цель работы и кратко изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Определена научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» обосновывается необходимость избранного способа измельчения фуражного зерна на корм скоту и птице. Дается краткий анализ научных исследований влияния измельченного и не измельченного зернового материала на продуктивность животных и птиц, физико-механических свойств зернового материала, видов воздействия рабочих органов машин на обрабатываемый материал, а так же анализ технических средств для измельчения фуражного зерна, применяемых в настоящее время в сельскохозяйственном производстве.
Вопросам, связанным с измельчением зерновых материалов, посвятили свои работы В.П. Горячкин, В.Я. Гирсшон, С.В. Мельников, В.И. Сыроватка, В.А. Денисов, П.И. Леонтьев, И.Я. Федоренко, С.В. Золотарев, Н.С. Сергеев и многие другие исследователи.
Процессы дробления зерна в малогабаритных дробилках исследовали В.К. Бряков, Г.В. Бахарев, А.М.Левин и другие.
На основании литературного обзора выполненных работ установлено, что в существующих измельчителях предназначенных для измельчения фуражного зерна не используется в чистом виде такой способ измельчения, как «скалывание-срез», являющийся менее энергоемким по сравнению с другими способами измельчения;
На основании изложенного в работе были поставлены следующие задачи исследования:
1. Теоретически и экспериментально исследовать процесс измельчения фуражного зерна в малогабаритном молотковом измельчителе, работающем по способам измельчения «удар влет» и «скалывание-срез»;
2. Обосновать технологические и конструктивно-режимные параметры малогабаритного молоткового измельчителя;
3. Провести производственную проверку и оценить эффективность результатов исследований;
Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна» дан анализ процесса измельчения зерна в молотковых дробилках.
Из анализа процесса измельчения установлено, что устойчивость движения пластинчатого молотка дробилки зависит от соотношения размеров Rn и l, (где Rn - расстояние от оси вращения ротора до оси подвеса молотка, l - расстояние от оси подвеса молотка до конца молотка), а также от массы молотка и угловой скорости вращения ротора барабана.
С.В. Мельников рекомендует подбирать эти размеры из условия:
Rn=2,25l или Rn=4l. (1)
Для малогабаритного измельчителя диаметром менее 0,4 м это условие не выполняется из-за конструктивных особенностей. С целью обеспечения устойчивого движения молотка при внутренним диаметре 0,2 м измельчающей камеры малогабаритного молоткового измельчителя предлагается заменить пакет пластинчатых молотков одним монолитным молотком с двумя режущими кромками. Масса такого молотка распределена вблизи внутренней поверхности измельчающей камеры (неподвижной деки), тем самым, увеличивая момент инерции монолитного молотка, чтобы обеспечить необходимую устойчивость в технологическом процессе.
Один из важнейших характеристик кинетики процесса дробления является время измельчения материала в рабочей камере измельчителя. При определенных условиях аналогом ее можно принять число ударов, полученных частицей за время дробления. Это число зависит как от прочностных свойств измельчаемого материала, так и от скорости соударения молотков и частиц измельчаемого материала. Алешкиным В.Р. установлено, что число ударов, необходимое для достижения определенной степени измельчения , является величиной случайной и имеет логарифмически - нормальное распределение.
На рисунке 1 представлена схема безрешетного молоткового измельчителя фуражного зерна, где указаны направления сил действующих на зерновку после первого удара (Fтр - сила трения, Ф - центробежная сила, N - нормальная сила, V - направление движения зерновки).
Рисунок 1 - Схема безрешетного молоткового измельчителя
Следующие параметры измельчителя:
Q- подача рабочего материала в измельчающую камеру, кг/мин;
- угловая скорость вращения барабана, 1/с;
r- радиус рабочей камеры измельчителя, м;
-зазор между молотком и декой, м;
Из рисунка 1 видно, что основная часть рабочего режима реализуется на первой половине деки AB=S=.
Исходя из данных условий, необходимо определить количество ударов молотка по зерновке.
Дифференциальное уравнение движения материальной точки (зерновки) после удара о молоток описывается следующим образом
(2)
где -скорость движения зерновки по деке.
=r где -угловая скорость;
;
Сила трения определяется
где f - коэффициент скольжения по деке (0,6);
m - масса зерновки.
2
(3)
Уравнение (3) - дифференциальное уравнение 2-го порядка описывает движение зерновки (материальная точка) по деке.
Далее уравнение (3) интегрируем в системе МАТНСАD:
Рисунок 2 - Траектории движения молотка и зерновки
1 - движение молотка; 2 - движение зерновки
На рисунке 2 представлены траектории движения молотка и зерновки в измельчающей камере из которой видно, что первый удар молотка по зерновке происходит в точке В («удар влет»), где зерновка получает микротрещины. А полное разрушение зерновки происходит в зоне ВС за счет использования наименее энергоемкого способа измельчения «скалывание-срез» между двумя кромками молотка и острыми ребрами граней деки.
При разработке безрешетного измельчителя одним из основных задач являлось регулирование степени измельчения зерна, т. к. подготовленный для скармливания сельскохозяйственным животным корм должен отвечать зоотехническим требованиям, указанным в соответствующих стандартах или технических условиях на корма.
В теоретических предпосылках учитывались следующие пункты:
1. Влияние времени дробления на степень измельчения.
2. Статистическое распределение измельченных частиц по размерам в измельчающей камере.
Подобный процесс описан в трудах С.В. Мельникова, В.Р. Алешкина, Б.Г. Зиганшина, применивших теорию марковских случайных процессов для описания кинетики измельчения.
Наиболее близким по решению поставленной задачи является работа Б.Г. Зиганшина.
Показатель степени измельчения характеризует главным образом технологический процесс измельчения, а не крупность частиц дерти. Очевидно, что при одной и той же крупности дерти крупное зерно дает более высокие значения степени измельчения и наоборот. А модуль помола более точно отражает качественный характер измельчения частиц и тогда формула математического описания степени измельчения, предлагаемая Б.Г. Зиганшиным, может быть преобразована.
Тогда интегральный показатель работы измельчителя характеризуемый величиной модуля дробления М и имеет следующий вид: