ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТОРНЫЕ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛИ ФУРАЖНОГО

Глава 2. Теоретический анализ способов измельчения и обоснование высокоэффективных измельчающих устройств. На процесс измельчения существенное влияние оказывают влажность, температура, физико-механические свойства зерна и др. Немаловажное значение имеют состояние, вид и конструктивные параметры рабочих органов измельчающих машин, способ подвода исходного материала в зону измельчения и отвода готового продукта и т.п. В связи с этим разработана классификационная схема основных факторов, влияющих на эффективность работы центробежно-роторного измельчителя фуражного зерна (рисунок 1). В центробежных, роторных и центробежно-роторных измельчающих устройствах на эффективность измельчения большое влияние оказывают удельные нагрузки и окружные скорости рабочих органов.

Рисунок 1 – Факторы, влияющие на эффективность работы

центробежно-роторного измельчителя

Значительное количество переменных факторов, влияющих на процесс измельчения, настолько осложняет всю проблему в целом, что решить ее можно простейшими частными случаями и то при определенных допущениях. На эффективность работы центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна существенное влияние оказывает ориентация зерна в канале рабочего органа по отношению к кромкам режущих элементов. Для этого было исследовано движение частицы, а затем эллипсоида вращения по поверхности плоскости с вертикальной осью вращения. На зерно при движении по диску-ротору вдоль стенки канала (лопатки) действуют: сила тяжести , центробежная сила , сила Кориолиса и силы трения: , действующая на поверхности диска, и , действующая по поверхности стенки канала; - скорость движения зерна по диску (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема движения зерна вдоль

стенки канала диска ротора

Для обоснования конструктивно-технологической схемы центробежно-роторного измельчителя выполнено следующее.

1. Предложена система дифференциальных уравнений по расчету оптимальной длины канала рабочего органа (1)-(3). В качестве модели зерна рассматривается трехосный эллипсоид (рисунок 3).

Рисунок 3 - Модель зерна: a1 – длина малой полуоси, мм;

c1– длина средней полуоси, мм; b1 – длина большой полуоси, мм;

с – центр тяжести

Для упрощения решения поставленной задачи приняты следующие допущения: зерно касается поверхности диска-ротора в точке, где его малая полуось касается плоскости диска и остается перпендикулярной к этой плоскости; зерно не вращается относительно своей продольной оси Х1 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Модель движения зерна вдоль стенки канала

рабочего органа: – сила трения зерна о диск; –

Кориолисова сила инерции; – переносная сила

инерции; – сила трения зерна о стенку канала

Система дифференциальных уравнений, описывающих положение зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя (рисунок 4), имеет следующий вид:

, (1)

где a, b, c, d - постоянные коэффициенты связи дифференциального уравнения;

,

где n – частота вращения диска-ротора, мин-1;

f – коэффициент трения зерна по поверхности диска-ротора;

– угловая скорость вращения диска-ротора;

хо – начальное положение зерна на диске-роторе (минимальный радиус до начала канала);

g – ускорение силы тяжести;

– угол поворота оси X1 зерна относительно оси Y;

Связь эллипсоида с поверхностью стенки канала выражается зависимостью

, (2)

где , (3)

При r = с1 углы =90; =90; ось Х1 занимает положение параллельно оси Х.

Уравнения движения зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя позволяют определить длину канала, необходимую для подачи зерна длинной осью к плоскости резания.

Решение дифференциальных уравнений выполнено численным методом. Теоретические исследования проводились для различных зерновых материалов (ячмень, пшеница, овёс, рапс) с учётом кинематических и конструктивных параметров канала диска-ротора рабочих органов измельчителя. По полученным результатам построены графические зависимости (рисунки 5, 6).

По результатам графических зависимостей длины канала от частоты вращения диска-ротора при скорости резания от 20 до 35 м/с с максимальными геометрическими размерами зерна и расстояния от оси вращения диска-ротора до начала канала рабочих органов (R1=20 мм; R2=70 мм; R3=120 мм), на первой режущей паре оптимальная длина каналов должна составлять: L1=8 мм; L2=12 мм; L3=16 мм.

Рисунок 5 – Зависимость длины канала рабочего органа

от частоты вращения диска-ротора при скорости резания 20 м/с

с максимальными размерами зерна

Рисунок 6 – Зависимость длины канала рабочего органа

от частоты вращения диска-ротора при скорости резания 35 м/с

с максимальными размерами зерна

Зерно при движении в канале первой режущей пары рабочего органа центробежно-роторного измельчителя поворачивается, ориентируясь длинной осью вдоль стенки канала. Такое положение позволяет

осуществлять процесс среза и скалывания по минимальному сечению зерна, после чего отрезанная часть вновь поворачивается длинной осью в направлении движения, и процесс повторяется на следующих режущих парах.

2. Произведены выбор и обоснование конструктивных параметров рабочих органов измельчителя, обеспечивающих технологический процесс измельчения зерна посредством среза и скалывания.

Анализ значений геометрических параметров режущей пары для процесса измельчения показывает, что эти параметры удобно разделить на две группы: параметры в плоскости резания и параметры в плоскости, перпендикулярной к плоскости резания (рисунок 7).

а)	б)
Рисунок 7 – Схемы режущей пары: а) – в плоскости резания; б) – в плоскости, перпендикулярной к плоскости резания

К конструктивным параметрам режущей пары рабочих органов центробежно-роторного измельчителя относятся: – угол заточки режущего элемента (режущее ребро пуансона); – угол заточки противорежущего элемента; – угол установки режущего элемента;

– толщина режущего элемента; – острота ребра режущего элемента; – угол резания; – зазор между режущим и противорежущим элементами. Указанные параметры характеризуют форму и величину геометрических тел, их взаимное расположение как в статике, так и в динамике.

На рисунке 8 представлена принципиальная схема рабочих органов центробежно-роторного измельчителя.

Рисунок 8 – Схема рабочих органов центробежно-роторного

измельчителя: 1 – корпус; 2 – патрубок загрузочный; 3, 4 – режущие

элементы; 5 – диск-ротор верхний; 6 – вал внутренний; 7 – диск-ротор нижний; 8 – окна радиальные; 9 – каналы (пазы); 10 – стенка канала;

11 – патрубок выгрузной; 12 – вал полый.

По теории резания В.П. Горячкина, для технологического процесса основными параметрами являются давление ножа (режущего элемента) на материал и боковое его движение. Количественное соотношение между двумя этими параметрами характеризуется значениями коэффициента скольжения и коэффициента трения лезвия ножа (кромки режущего элемента) о разрезаемый материал. При этом следует отметить важную роль угла защемления . Угол защемления – это угол между кромкой режущего элемента в зоне резания и рабочей кромкой противорежущего элемента, при котором измельчаемый материал прекращает свое движение и начинается его перерезание. Полное защемление материала в режущей паре наступает при условии

, (4)

где – угол трения.

Допустимую величину угла защемления определяют опытным путем при различных условиях (тип режущего инструмента, его острота, физико-механические свойства измельчаемого материала и т.п.).

3. Предложена формула для определения оптимального количества режущих элементов () рабочих органов в зависимости от поперечного размера измельчаемого материала (), толщины режущих элементов (), относительной окружной скорости дисков-роторов () и времени движения зерна () вдоль стенки радиально расположенных каналов диска-ротора между окончанием предыдущего и началом последующего контакта с режущим элементом:

. (5)

4. Разработана методика по определению производительности измельчителя. Производительность центробежно-роторного измельчителя зависит от того, какое количество зерна может пройти через радиальные сквозные каналы (пазы) первого кольцевого ряда, размещенного на диске-роторе рабочих органов, в единицу времени. Для определения времени движения () материала по каналам (пазам) первого кольцевого ряда между окончанием предыдущего и началом последующего его контакта с режущими элементами смежного кольцевого ряда предлагается формула

, (6)

где – угловая скорость диска-ротора, с-1;

– длина отсекаемой части материала, м;

– наружный радиус первого кольцевого ряда рабочих органов, м;

– коэффициент трения зерна по металлу;

– технологический коэффициент.

Количество радиальных каналов на первом кольцевом ряде

,шт. (7)

где – ширина сквозного радиального канала (паза) выбирается с учетом геометрических размеров исходного материала, м;

– толщина стенки между каналами, м;

– внутренний диаметр первого кольцевого ряда, м.

Пропускная способность первого кольцевого ряда, имеющего радиальные сквозные каналы (пазы), определяется по формуле

,т/ч (8)

где – ширина канала, м;

– количество режущих элементов, шт.;

– высота канала, м;

– длина отсекаемой части зерновой массы, м;

– время между началом контакта измельчаемого материала с предыдущим и последующим режущими элементами, с;

– объемная масса зерна, т/м3;

– количество каналов, шт.

Пропускная способность последующих кольцевых рядов, имеющих радиальные сквозные каналы, можно определять аналогичным способом. Пропускная способность каждого последующего кольцевого ряда рабочих органов должна быть не меньше предыдущего, т.е. , где – порядковый номер кольцевого ряда. При таком условии будут осуществляться равномерная подача, качественное измельчение и быстрый вывод готового продукта из рабочей камеры машины.

5. Предложена формула (9) по определению мощности, расходуемой на процесс измельчения с учетом особенностей конструкции рабочих органов измельчителя. Зерновой материал под действием центробежной силы движется по радиальным каналам рабочих органов. Во время совмещения каналов смежных кольцевых рядов встречно вращающихся дисков-роторов зерно продвигается на определенную величину и срезается кромками режущих элементов. Зная геометрическую форму поперечного сечения канала и количество в нем зерен, подлежащих одновременному срезу, можно определить потребную мощность:

, кВт (9)

где – среднее усилие резания единичного зерна, Н;

– количество зерен в канале, подлежащих одновременному срезу, шт.;

– количество максимально возможного совмещения каналов смежных кольцевых рядов, шт.;

– средний радиус зоны измельчения, м;

– коэффициент пористости, ;

– угловая скорость ротора-диска, с-1;

– количество кольцевых рядов, шт.

Потребная мощность, расходуемая на обеспечение подачи зерна к рабочим органам:

, кВт (10) (13)

где – подача зерна к рабочим органам, кг/с;

– абсолютная скорость зерна в момент движения по диску– ротору к каналам первого кольцевого ряда, м/с;

– ускорение свободного падения, м/c2.

Таким образом, рассчитав потребную полезную мощность по формулам (9) и (10), просуммировав результаты в соответствии с балансом мощности получим потребную мощность на процесс измельчения. Расходы энергии на другие потери отнесены к холостому ходу. Общая мощность привода измельчителя

, кВт (11)

Глава 3. Методические основы экспериментальных исследований конструктивных параметров рабочих органов центробежно-роторного измельчителя. Для решения поставленных в работе задач необходим комплексный метод исследований, включающий в себя проведение экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях. Для исследования ряда зависимостей были разработаны частные методики, ранее не применяемые в исследованиях сельскохозяйственной техники. Программа исследований предусматривает проведение экспериментальных опытов в лабораторных условиях, которые были реализованы в несколько этапов:

1. Разработка частных методик экспериментальных исследований.

2. Изготовление лабораторно-экспериментальной установки и приборов для исследования процесса измельчения фуражного зерна и семян рапса.

3. Подготовка лабораторного оборудования и измерительной аппаратуры.

4. Проведение опытов, обработка и анализ результатов.

Для выполнения экспериментальных исследований разработаны:

– методика и прибор по исследованию физико-механических свойств зерна и влияния углов заточки и защемления режущих элементов при статическом нагружении;

– методика и специально разработанная лабораторная установка центробежно-роторного типа, оборудованная динамометрическим резцом и измерительной системой для регистрации силы резания при исследовании влияния скорости резания, углов заточки и защемления режущих элементов на усилие резания одиночных зерен злаковых культур и семян рапса;

– методика и экспериментальная установка для определения износостойкости высокопрочного чугуна с целью его использования при изготовлении рабочих органов измельчителей;

– методика по определению рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя в сельскохозяйственном производстве.

Исследования по определению эффективности измельчения фуражного зерна и семян рапса выполнялись на экспериментальных и опытных образцах центробежно-роторных установок. Критерием оценки выбраны качество готового продукта, удельная энергоемкость и производительность процесса измельчения.

Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований. На рисунке 9 представлены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров режущих элементов на усилие резания одиночных зерен (семян) при статическом нагружении.

Из графических зависимостей усилия резания одиночных зерен влажностью 14-15% от угла заточки режущих элементов можно сделать вывод о том, что уменьшение угла заточки с 90 до 30° ведет к снижению усилия резания от 60 до 20 Н, но исходя из износостойкости режущего инструмента предпочтительнее иметь угол заточки 75…85°. Максимальное усилие резания зерна соответствует 42…52 Н, семян рапса 22…34 Н.

Рисунок 9 – Зависимость усилия резания одиночных зерен

влажностью 14-15 % от угла заточки режущего элемента

Значение геометрических параметров режущих элементов рабочих органов является немаловажным фактором при динамическом измельчении. С этой целью проведены исследования влияния скорости резания и углов заточки режущих элементов на усилие резания зерновки пшеницы, ячменя, овса и семян рапса.

Исследования выполнены на экспериментальной установке центробежно-роторного типа, оснащенной динамометрическими приборами (рисунок 10).

а) б)

Рисунок 10 – Экспериментальная установка динамического резания зерна: а) – внешний вид; б) – камера измельчения; 1 – корпус;

2 – динамометр; 3, 5 – кронштейн; 4 – стержень динамометра;

6 – канал для зерна; 7 – обечайка камеры измельчения; 8 – приемная

камера зерна; 9 – диск-ротор; 10 – противовес; 11 – планка-канал;

12 – резец; 13 – зерновка; 14 – электродвигатель