Параметры вальцовой ступени двухступенчатого измельчителя зерна

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 зоотребованиям, 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 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.

Рисунок 1 - Схема рабочего пространства вальцовой пары

Условие захвата зерна парой вальцов известно в виде а < (р, в котором (9 - угол трения. Тогда для известных размеров зер на da и фрикционных характеристик поверхностей минимальный радиус вальцов определяется по зависимости

d,^ cos

2(1 - cos дЛ

Устойчивая работа вальцовой пары и подача зерна в рабочий зазор обеспечива- ется условием захвата а д), определяемого по зависимости а< arccos

D+6,,

D+d., ’

где бр - рабочий зазор между вальцами, м; d^ - эквивалентный диаметр зерновки, м; D - диаметр мелющих вальцов, м.

Подача вальцовой пары в установившемся режиме определяется по зависимости:

МрУ^ (3)

где / - длина вальца, м;

Vn - скорость продуктового слоя в рабочем зазоре, м с"1;

р - плотность зерна, кг/м³;

у/ - 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) [6].

Таблица 1 - Геометрические, механические и технологические характеристики зерна (ячмень Вакула, пшеница Юка, овес Волгоградец)

/[римечснше; f_c - статический: f_k - кинематический

Для описания процессов воздействия рабочих поверхностей вальцов на зерно в рабочем пространстве и оценки их энерге тики воспользуемся упрощенным законом линейного деформирования, как достаточно универсальным и простым [5].

Мне + Es =

где Н и Е- мгновенный и длительный модули упругости соответственно, Па;

п - длительность релаксации, с;

р и £ - относительная деформация и ее производная по времени;

а и <т напряжение и его производная по времени.

Скорость произвольной точки А рабочей поверхности вальца в проекциях на оси XY (рисунок 1) запишется в виде:

со о Rsm(a-tofJ);

cooRcos(a-cool),

где о)о - угловая скорость вальца, с"¹;

R - радиус вальца, м; а < (р - по условию захвата.

Тогда скорость относительной деформации зерновки в момент захвата АА, из соотношений, составит:

2A

8 =--------- cL cos а

Далее зазор между вращающимися навстречу друг другу вальцами ді изменяется по зависимости

^ =2Z’?'[1 - COS(« 69r/)]+^,

и на уровне оси OX, (coot «) станет рав- 2Қ- = 2Rcoosm(a-coo6 к д_; (таблица 2) пред-ным д_р - рабочему зазору.                  ставляет собой монотонную функцию в

Следует отметить, что отношение диапазоне регулировок д_р и углов захвата.

суммарной скорости деформации

Таблица 2 - Кинетика деформации зерновок в рабочем пространстве вальцовой пары (соо = 80 с"¹, R^ 65 мм, wi = С02)

Из данных таблицы 2 следует, что максимальные значения s, отношений суммарной скорости деформации 2ГҮ (5) к величин текущего зазора dt (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]:

ст = £ Kt + п^Н - К\Х - е °) ,                            (8)

где 6 с учетом (5) и (7):

2Кх      2 <у₀R sin( а - cot)      _т

3_t    2/?[1 — cos(tz -<уг)]+ 5_р °

С учетом (5) и (7), применительно к работе пары вальцов, д_р запишется для рабочих напряжений:

2Қ

Еклп(Н-ЕХ1-е

(Ю)

При попадании зерновки в рабочий зазор й_р вальцовой пары соизмеряемый с её размерами, она деформируется в пределах упругости и покидает рабочее пространство. Задавая вальцам одного диаметра разные частоты вращения (со/ / со 2), а зазору - величину, вызывающую необходимые остаточные деформации в структуре зерновки и дефекты в оболочках, можно подготовить ее к разделению на требуемые ча

R(tO; CO^tj'" Tt

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 R_a:

(Н)

где Id - act?.

После подстановки ta в (11) и решения относительно со 1/(02, получили с достаточной степенью точности:

0. жк

— >--L + 1 со2 aR где amax < ф - 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 др.

При выходе из рабочего зазора (ё = 2Kv /5 = 0) напряжение а, в деформации потока составит с учетом (1):

d,-6„ d,

Площадь St трапеции эпюры напряжений (рисунок 2) составит:

v = ---2775 та

Усилие Р? деформации потока зерна в рабочем зазоре вальцовой пары длиной f определится по зависимости

Рисунок 2 - Эпюры нагрузок вальцовой пары на зерновку

Тогда момент сопротивлению вращения пары вальцов определится, с учетом формы трапеции (рисунок 2), по формуле

М_с = ^.R^a^ + сг. ^h sin а ,                          (16)

где                                     h = Rsvciao

в,

Суммарная мощность на привод пары вальцов при со, со2 со_р - «прокатывание» отсутствует, с учетом (15) и (16) составит:

N = VtoptR\

Суммарная мощность на привод пары формации предразрушения «прокатыва-вальцов при со]   со2 и ^соответствует де- ния»:

^^«^^^2^              (19)

Лабораторные исследования упруговязких, 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 І) средние из 100 штук случайной выборки влажностью (10,4-12,1%).

Относительная деформация, е

1 - основные положения: а - длина, 6’ - ширина, с - высота;

2 - график экспериментальной зависимости коэффициента восстановления Рисунок 3 - Ориентация зерновок в процессе испытаний

Рз тг(рЬс)/6, где а, Һ, с в мм.

Для составления аналитической модели процесса необходима связь мощности

п

Эта составляющая имеется в зависимости (19), но отсутствуют величины д_р, р. Тогда модель процесса «прокатывания»

(18) и подачи (3) вальцовой пары. В зависимости для определения подачи скорость потока при «прокатывании» равна:

^-R.

N _п =     ^---------- Rsin²а .

5Р-Р-(УЦ

Представленная модель процесса связывает источник энергии и её потребителя - процесс «прокатывания», реализуемый с заданной подачей в технологическом устройстве с параметрами R, L со,, со;, д_р, 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,, со2 и Q, которые определяют форму гиперплоскости функциями отклика Nm 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-ем молотковым барабаном дробилки Ф-1М с частотой вращения 1350 оборотов в минуту.

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.