Некоторые результаты работы измельчителя зерна

Измельчение зерна – в единой системе взаимодействия рабочих органов с кормовыми материалами, подвергающимися обработке. Для совершенствования процесса измельчения необходима достаточная информация о физико-механических свойствах измельчаемого материала.

Зерно представляет резко выраженное анизотропное тело: зерновка состоит из разных частей (оболочка, зародыш, эндосперм); каждая обладает различными физикомеханическими свойствами и структурой.

Многие ученые исследовали механические свойства зерна. В восьмидесятых годах XVIII в. П.А. Афанасьев доказал, что относительное сжатие зерна пропорционально силе раздавливания. Он эмпирически получил выражение, показывающее зависимость напряжений от относительного сжатия и напряжения зерна [1]

х ,              , где P – давление на единицу площади, занимаемой зерном; х– относительное сжатие зерна; δ – толщина зерна.

На рис. 1 представлен график, отображающий разность разрушающих усилий для сортов твердой и мягкой пшеницы, полученный В.Я. Гиршсоном [2].

Рис. 1 . Разрушающее усилие для сортов мягкой и твердой пшеницы: _ _ _ – мягкая пшеница; ____ – твердая пшеница

Из графика видно, что при влажности пшеницы до 19% разрывающее усилие достигает 31,6 м Н/м2, приближаясь, таким образом, к аналогичным величинам для некоторых пород дерева. Для различных сортов зерна при разной влажности разрывающие усилия колеблются от 9,4–31,6 м Н/м2. Установлено, что усилие, направленное вдоль зерна, в 2,0–2,5 раза больше, чем в направлении поперек зерна.

Рис. 2 . Поведение зародыша пшеницы; _ _ _ – мягкая пшеница;

_____ – твердая пшеница

На рис. 2 приведены графики, показывающие поведение зародыша пшеницы, состоящего на 12–19% из жира. Большое содержание жира в материале приводит к повышению пластичности, которая затрудняет его разрушаемость [2].

Анализируя вышеприведенные данные, полученные в разное время разными исследователями, можно сделать вывод: величина разрушающего усилия колеблется в широких пределах и зависит от разных факторов.

Объекты и методы

В качестве исходного материала для проведения опытов были зерновые культуры: пшеница (сорт Росинка тарасовская), ячмень (сорт Омский 90), овес (сорт Иртыш 21), часто используемые в Омской области.

Для подтверждения и проверки теоретических зависимостей для изучения процесса измельчения кормовых материалов рабочими органами с режущими элементами криволинейной формы разработан и изготовлен измельчитель зерновых материалов (рис. 3) [3–7]. Установка измельчает зерновой материал способом «скалывание – срез» с последующим незамедлительным выводом готового продукта помола.

Предлагаемое устройство для измельчения зерновых материалов состоит из корпуса 1, крышки 2, загрузочного 3 и выходного 4 патрубков. Внутри корпуса соосно установлены два диска 5 и 6. На дисках 5 и 6 закреплены кольцевые выступы 7 и 8. Нижний диск 5 установлен на фланце 9 полого вала 10, верхний диск 6 закреплен на фланце 11 вала 12. Расположен вал 12 в полости вала 10, соосно валу 10. Верхняя часть вала 12 выполнена полой, а его полость сообщается радиальными окнами 13 с пространством между дисками 5 и 6. Кольцевые выступы 7 и 8 закреплены на дисках 5 и 6 при помощи болтов 14. Выступы 7 верхнего диска 6 расположены между выступами 9 нижнего диска 5. В кольцевых выступах 7 и 8 сквозные пазы 15 выполнены по одинаковым циклоидам. Направление сквозных пазов верхнего диска выполнено противоположно направлению сквозных пазов нижнего диска и образует между собой иксобраз- ный угол защемления. Сквозные пазы имеют переменный угол наклона стенок пазов к рабочей поверхности дисков – от 45 до 90º.

Рис. 3 . Устройство для измельчения зерновых материалов

Работает устройство для измельчения зерновых материалов следующим образом.

Обрабатываемый зерновой материал из загрузочного патрубка 3 через радиальные окна 13 в полом валу 12 подается в пространство между дисками 5 и 6 , которые приводятся во вращение в противоположных направлениях. Проходя под действием центробежных сил по радиальным сквозным пазам 15 , выполненным по циклоиде в кольцевых выступах 7 и 8 , зерно, имеющее меньшую твердость и плотность, приобретает меньшую скорость, чем зерно с большей твердостью и плотностью, следовательно, преимущественно измельчается с помощью среза на режущих парах, образованных соседними кольцевыми выступами, расположенными ближе к центру противоположных дисков 5 и 6 , где установлен оптимальный угол резания для более мягкого материала. Измельчаемый материал движется к периферии под действием центробежных сил по пазам 16 , выполненным по циклоиде, ее радиус увеличивается от центра к периферии, где оптимальный угол резания для более плотного и твердого материала.

Обеспечиваются возможность беспрепятственного прохождения по сквозным пазам, повышение однородности гранулометрического состава конечного продукта и снижение энергоемкости процесса измельчения [8; 9].

Результаты исследований

Теоретически предполагалось, что исполнение режущих элементов рабочих органов криволинейной формы позволит повысить эффективность процесса измельчения. Предпосылками для данной теории послужили исследования В.П. Горячкина, выполненные для различных видов лезвий [10]. По данным автора, наиболее выгодно лезвие, представляющее эксцентрично поставленную окружность (рис. 4).

Рис. 4 . Схема резания лезвием, имеющим форму эксцентрично поставленной окружности: τ – угол скольжения; q – давление; R – радиус окружности; е – эксцентриситет

По результатам наших расчетов получены численные значения для окружности радиусом R = 60 мм, по которой выполнена режущая кромка рабочего органа измельчителя. В результате сопоставления данного радиуса окружности и высоты сквозного паза режущих элементов рабочего органа измельчителя получена геометрическая фигура, представленная в 3Д-модели рабочего органа измельчителя зерна с режущими элементами криволинейной формы (рис. 5).

Рис. 5 . 3Д-модель рабочих органов измельчителя зерна с режущими элементами криволинейной формы

Для практического определения оптимальных соотношений углов резания и кривизны режущего элемента проведены контрольные разрезания зерновок, а также их сегментов. Опыты осуществлены в пятикратной повторности согласно общеизвестным методикам [11].

На основании результатов проведенных исследований построены наглядные графические зависимости (рис. 6, 7).

Рис. 6 . Величина R циклоиды для целой зерновки

Рис. 7 . Величина R циклоиды для сегмента зерновки

На представленных графических зависимостях видно, что наиболее выгоден (рационален) радиус кривой окружности, равный 60 мм, это подтверждают расчетные данные.

Выводы

Расчетным путем получена 3Д-модель рабочих органов измельчителя зерна с режущими элементами криволинейной формы.

По результатам экспериментальных исследований определена форма режущей части измельчающего элемента в виде эксцентрично поставленной окружности радиусом, равным 60 мм.

U.K. Sabiev, A.S. Pushkarev

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Some results of the grain grinder