Обоснование параметров малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна

Рхх=Rоп+, (13)

где Rоп- суммарная реакция в опорах;

fn- коэффициент трения в подшипниках;

r- радиус цапфы;

i- число кронштейнов с подвешенными на них молотками;

- угловая скорость, =; С-1;

- плотность воздуха, обычно принимается равным 1,2 кг/ м3;

Sл - лобовая площадь одного комплекта кронштейнов с молотками,

расположенная поперек направления движения, м2;

rл- расстояние центра лобовой поверхности от оси вращения барабана, м;

Второй член А2 формулы (11) выражает работу, затрачиваемую на процесс измельчения материала:

P2= (14)

Третий член А3 выражает расход работы на отбрасывание материала и преодоление сил трения:

Р3= QтКW( p, (15)

Таким образом, определены все три члена теоретической формулы для энергетического расчета дробилки: Формула потребной мощности при производительности Qт (кг/час) имеет вид:

(16)

В третьей главе. «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа экспериментальных исследований; представлены общие и частные методики проведения экспериментов; дано описание и принцип работы экспериментальной установки. С целью проверки теоретических предпосылок и уточнения конструктивно-режимных параметров малогабаритного измельчителя была намечена следующая программа экспериментальных исследований:

- определение качества и соответствие измельченного продукта соответствующим ГОСТам и зоотехническим требованиям;

- получение зависимостей влияния окружной скорости vм, количества монолитных молотков Nм и подачи материала Qп на удельный расход энергии Aуд и модуль помола Mп зерна.

На начальном этапе использовался метод априорного ранжирования факторов с задачей установления факторов, влияющих на эффективность работы измельчителя. На втором этапе, цель которого было отыскание оптимальной области режимов работы измельчителя, применялся метод крутого восхождения по поверхности отклика в направлении градиента (метод Бокса-Уилсона). На заключительном этапе для проверки основных теоретических зависимостей и получения математических моделей был проведен эксперимент по ортоганальному плану второго прядка n=3 (его условия представлены в таблице 1).

Таблица 1 – Факторы, интервалы и уровни варьирования

Уровни и интервалы варьирования факторов	Факторы
	Количество молотков Nм, шт	Подача материала, Qп, кг/ч	Окружная скорость молотков vок, м/с
+1	4	210	25
0	3	165	20
-1	2	120	15
Е	1	45	5

Для решения поставленных задач была разработана и изготовлена лабораторная установка, которая позволяла, не меняя ее общей компоновки (рисунок 5), изменять действующие факторы: количество молотков, подачу материала, окружную скорость молотков, а также регистрировать потребную мощность и модуль помола зерна.

Установка работает следующим образцом: очищенное от посторонних и металлических примесей фуражное зерно загружается в приемный бункер 8 и через регулирующую заслонку 10, поступает в горловину 9 и самотеком тангенциально по ходу вращения ротора 3 направляется в измельчающую камеру 2. В измельчающей камере, зерно попадает под ударное воздействие монолитного молотка (способ измельчения «удар- влет») и получает частичное разрушение (микротрещины). Частично разрушенное зерно приобретает ускорение направленное перпендикулярно к неподвижной грани деки 6, где происходит его полное разрушение между острыми режущими кромками монолитного молотка 5 и острыми ребрами граней неподвижной деки (способ измельчения «скалывание-срез»). Измельченный продукт выводится через окно выгрузного патрубка 7 из измельчающей камеры.

В качестве измельчаемого продукта использовался ячмень (сорт «Баргузин»), в ряде сравнительных опытов использовали фуражную пшеницу (сорт «Селенга») и овес (сорт «Догой»).

Для определения необходимой устойчивости движения монолитного

молотка приведена методика расчета момента инерции молотка измельчителя.

Форма экспериментального монолитного молотка представлена на рисунке 6. Для определения момента инерции тела, имеющего сложную конфигурацию необходимо решить две частные задачи:

1. Вычислить моменты инерции относительно центральных осей и центробежные моменты инерции.
2. Определить главные центральные оси инерции и значение главных центральных моментов инерции.

Рисунок 6 - Расчетная схема монолитного молотка

Разбиваем молоток на наименьшее число простых элементов правильной геометрической формы, для которых моменты инерции, объемы, массы могут быть легко вычислены.

Используя общую методику расчета, разобьем молоток на следующие основные элементы (рисунок 6):

1 – цилиндр толстостенный; 2 – параллелепипед; 3, 4, 5 – призмы.

Для каждого элемента молотка подсчитываем в общей системе координатных осей:

1. Статические моменты

. (17)

где - координаты центра масс -го элемента молотка относительно общей системы координат.

2. Произведения

; ;

. (18)

Окончательно вычисляем для экспериментального молотка в целом:

1. Массу экспериментального молотка

(19)

2. Координаты центра масс

. (20)

3. Моменты инерции относительно центральных плоскостей

(21)

(22)

4. Моменты инерции молотка относительно центральных осей

Момент инерции молотка относительно оси подвеса хх равен

Для подтверждения результатов вычисления момента инерции молотка аналитическим методом, приводим экспериментальный метод определения момента инерции молотка – метод физического маятника.

Период малых колебаний физического маятника (рисунок 7) определяется по формуле:

(24)

где J0 – момент инерции тела относительно оси вращения;

сl = ос – расстояние от оси подвеса до центра масс.

Период малых колебаний математического маятника:

(25)

где - длина математического маятника

Точка , находящаяся от оси подвеса за центром масс с физического маятника на расстоянии , называется центром качания.

Для определения приведенной длины приравниваем периоды качаний физического и математического маятников формулы (24, 25) путем изменения длины математического маятника:

Даже самое незначительное несовпадение периодов легко обнаруживается, потому что разность в отклонениях непрерывно меняется, достигая то максимума, то минимума. Таким образом, синхронность маятников можно определить с достаточной точностью для данной технической задачи.

Рисунок 7 – Физический маятник

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты экспериментов, их математическая обработка и анализ.

Реализация плана эксперимента проводилась по программе «MAPLE». Проверка адекватности уравнений регрессии проводилась по критерию Фишера, а проверка значимости коэффициентов регрессии - по критерию Стьюдента.

Уравнение регрессии, описывающее изменение значений модуля М помола зерна имеет вид:

, (26)

Из анализа графической интерпретации математической модели М видно, что при снижении подачи материала и уменьшении количества монолитных молотков модуль помола снижается (рисунок 8). Так при постоянной окружной скорости молотков vок=15 м/с, модуль помола М снижается со значений 2,1 мм (при подаче материала Q=210 кг/ч и количестве молотков Nм=2) до 1,47 мм.

При снижении подачи материала в измельчающую камеру модуль помола уменьшается т. к. измельчаемые материалы имеют большую вероятность попадания под удары монолитных молотков и острые ребра граней деки.

Характер одновременного воздействия молотков NМ и окружной скорости vок представленный на( рисунок 10), однозначно указывает на то что, увеличение количества молотков Nм и окружной скорости vок ведет к линейному снижению модуля помола М в зависимости от окружной скорости vок с 1,71 до 1,47 мм при NМ =2 шт, Уравнение регрессии, описывающее изменение значений удельного расхода энергии Aуд зерна имеет вид:

(27)

QП=120 кг/ч и 1,34 до 1,1 мм при NМ = 4 шт, QП =120 кг/ч.

Анализ графических интерпретаций математической модели Aуд показывает, что увеличение подачи материала (рисунок 11, 12) ведет к линейному увеличению удельного расхода энергии в 1,8 раза со значений 0,461 до 0,841 кВт*ч/кг при NМ =2 шт и vМ=15 м/с. При увеличении скорости монолитных молотков до vМ =25 м/с и изменении подачи материала удельный расход энергии увеличивается в 1,29 раза, т.е при увеличении подачи материала для снижения энергоемкости процесса необходимо увеличивать скорость молотков.

Увеличение количества монолитных молотков ведет к увеличению удельного расхода энергии с максимумом энергоемкости при трех молотках. При количестве монолитных молотков NМ =2 шт, QП =120 кг/ч, vМ =15 м/с – значение Aуд составляет 0,461 кВт*ч/кг. При NМ = 3 шт, QП =120 кг/ч, vМ =15 м/с – значение Aуд составляет 0,69 кВт*ч/кг и при NМ =4 шт, QП =120 кг/ч, vМ =15 м/с – значение Aуд составляет 0,66 кВт*ч/кг соответственно.

По нашему мнению, такая картина обусловлена следующими факторами, при увеличении количества молотков до 3 шт, растут затраты энергии за счет раскручивания большей массы, а при 4 молотках, большая масса ведет к увеличению полезной работы на деформацию материала.

В пятой главе «Экономическая эффективность применения малогабаритного молоткового измельчителя» приведен расчет экономической эффективности от внедрения малогабаритного измельчителя фуражного зерна.

Годовая экономия эксплуатационных затрат от применения предлагаемой модели измельчителя по сравнению с серийно выпускаемой дробилкой ИЛС-0,15 составляет 19454,27руб. (в ценах 2008г.), срок окупаемости - 0,7 лет.

Общие выводы

1. Теоретические и экспериментальные исследования позволили обосновать конструкцию опытного образца малогабаритного измельчителя с монолитными молотками позволяющий, использовать, наименее энергоемкий способ измельчения «скалывание-срез».

2.Получено дифференциальное уравнение движения системы «барабан-молоток» в виде уравнения Лагранжа второго рода.

3. Получено уравнение энергетического баланса мощности работы экспериментального измельчителя.

4. По результатам экспериментальных исследований получены математические зависимости удельного расхода энергии Ауд и модуля помола М от технологических, конструктивно-режимных параметров малогабаритного молоткового измельчителя.

5. Разработана методика расчета момента инерции экспериментального монолитного молотка при перераспределении его массы, необходимая для обеспечения устойчивости технологического процесса измельчения.

6. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются следующие технологические и конструктивно-режимные параметры нового измельчителя:

-для мелкого помола (Mп =0,2…1,0 мм) – Nм =4 шт, Qп =120 кг/ч, vм = 30 м/с;

-для среднего помола (Mп =1,0…1,8 мм) – Nм =2 шт, Qп =165 кг/ч, vм = 25 м/с;

-для крупного помола (Mп =1,8…2,6 мм) – Nм =2 шт, Qп =210 кг/ч, vм= 20 м/с.

7. Годовая экономия эксплуатационных затрат от применения предлагаемой модели измельчителя в сравнении с серийно выпускаемым измельчителем ИЛС-0,15 составляет 19454,27 руб. (в ценах 2008г.), срок окупаемости - 0,7 лет.

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах:

Издания опубликованные в реферируемых изданиях рекомендованных ВАК:

1. Шагдыров И.Б. Интенсификация процесса сепарирования измельченного фуражного зерна и показатели эффективности работы трехступенчатого измельчителя с использованием воздушного потока / И.Б. Шагдыров, Н.Р. Петинова, М.Б. Балданов // Сиб. вестн. с.-х. науки. – 2007. - № 9. – С. 113-117.
2. Балданов М.Б. Определение момента инерции экспериментального монолитного молотка / С.Н.Прокопьев // Вестник КрасГАУ.-2008.-№2.-С.54-57.

Издание опубликованные в других изданиях: