Россия
Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Цель исследований – обеспечить наименьшие энергозатраты одновальцово-декового измельчителя. Проблема снижения энергоемкости процесса измельчения – одна из приоритетных решаемых задач в технологическом цикле производства сельскохозяйственной продукции. Проанализирована зависимость производительности первой зоны измельчения от конструктивных и кинематических пара-метров с подбором оптимального значения зазора между вальцом и декой 1 мм. Исследована зависимость производительности, удельной энергоемкости и модуля помола для второй зоны измельчения. Разработана методика графической обработки результатов экспериментальных данных. В результате применения предлагаемой методики графической обработки результатов экспериментальных данных была получена корреляционная зависимость между модулем помола, производительностью одновальцово-декового измельчителя и удельной энергоемкостью в виде поверхности отклика. Графический анализ получен-ной поверхности отклика показал, что с уменьшением значения модуля помола, согласно зоотехническим требованиям, оптимальные значения производительности одновальцово-декового измельчителя и удельной энергоемкости процесса измельчения будут отдаляться друг от друга, что свидетельствует о логичном представлении экспериментальных данных. Оптимальное сочетание производи-тельности одновальцово-декового измельчителя, удельных энергозатрат процесса измельчения при соответствующих конструктивных и кинематических параметрах соответствует модулю помола 2,6 мм. При этом оптимальное значение производительности составило 1658,7 кг/ч, удельной энергоемкости процесса измельчения 1,017 кВтч/кг при конструктивных и кинематических параметрах дробилки: зазоры 1 мм и 0,8-0,84 мм, частота вращения вальца 150-197 об/мин, эксцентрикового привода деки 227-321 об/мин. Разработанная методика поиска главных значений оптимальных параметров работы из-мельчающих машин с позиции производительности, удельных энергозатрат и качества продукта применима для оценки любых конструкций современного дробильного оборудования.
измельчитель, зерно, энергоемкость, производительность, параметры, зазор, амплитуда
Проблема снижения энергоемкости процесса измельчения является одной из приоритетных решаемых задач в технологическом цикле производства сельскохозяйственной продукции.
Основная техническая проблема при измельчении зерна до определенных значений модуля помола М=0,2-1 мм (для тонкого помола) и М=1-1,8 мм (для среднего помола) заключается в применении многостадийного процесса измельчения с поэтапным использованием различных типов измельчителей, что ведет к повышению материало- и энергоемкости, а также повышению издержек производства. Дополнительной проблемой при применении стадийной схемы технологического процесса измельчения сырья является неоднородность гранулометрического состава при использовании в качестве промежуточных звеньев роторных и молотковых дробилок. В качестве технического решения указанных проблем может выступать применение одновальцово-дековых измельчителей, сочетающих в себе преимущества вальцовых и ударных измельчителей [3, 4, 5]. Для более подробного анализа эффективности работы одновальцово-дековых измельчителей следует провести исследование зависимости производительности и энергоемкости процесса измельчения зерна от конструктивных и кинематических параметров.
Цель исследований – обеспечить наименьшие энергозатараты одновальцово-декового измельчителя.
Задачи исследований – разработать методику проведения экспериментальных исследований по установлению зависимости производительности и энергозатрат одновальцово-декового измельчителя от его конструктивных и кинематических параметров; установить зависимость производительности и удельных энергозатарат одновальцово-декового измельчителя от его конструктивных и кинематических параметров.
Материалы и методы исследований. Объект исследования – технологический процесс измельчения зерновых материалов в одновальцово-дековом измельчителе. Предмет исследования – закономерности изменения производительности и удельных энергозатрат от конструктивных и кинематических параметров измельчителя. Одновальцово-дековый измельчитель зерна (рис. 1) представляет собой раму, установленную на фундаменте на регулировочных винтах 10. На раме крепится питающий бункер 4 и выгрузной лоток 8, а также привод рабочих органов.
Рис. 1. Принципиальная схема одновальцово-декового измельчителя:
1 – валец, 2 – дека, 3 – измельчаемый материал, 4 – питающий бункер, 5 – корпус деки, 6 – эксцентриковый вал
привода деки, 7 – опорные пружины, 8 – выгрузной лоток, 9, 10 – регулировочные винты
Основным рабочим органом является активно вращающийся валец 1. Поверхность вальца шероховатая, получаемая электродуговой наплавкой, с величиной неровностей до 0,5 мм. Вторым рабочим органом является вибрирующая дека. Корпус деки 5 установлен на опорных пружинах 7 и имеет эксцентриковый вал 6 привода деки с амплитудой колебаний 3 мм. Зерновка из питающего бункера 4 поступает в зону верхнего контакта вращающегося вальца 1 и корпуса вибрирующей деки 7. Происходит первичное измельчение зерновок. Некачественно измельченные зерновки повторно измельчаются в зоне бокового контакта 1 и корпуса вибрирующей деки 7, выгружаясь по выгрузному лотку 8. Рабочие параметры машины: ω1 – угловая скорость вращения валка и ω2 – угловая скорость вращения эксцентрикового вала, определяющие производительность измельчителя, регулировались при помощи частотно-регулируемых приводов электродвигателей; Δ1 и Δ2 – технологические зазоры, характеризующие качество измельчения, изменялись при помощи системы винтовых опор 9 деки. Амплитуда деки выбиралась из условия плосконапряженного состояния измельчаемого материала [3] и отсутствия беспрепятственного поступления зерновок в первую зону измельчения. Ввиду того, что средний эквивалентный диаметр зерновок составлял 4,2 мм, а наименьшее значение зазора Δ1 по зоотребованиям соответствует 0,8 мм, максимальное расстояние между декой и вальцом в верхнем положении равно 3,8<4,2 мм. При увеличении значений амплитуды происходит проскальзывание неизмельченного материала во вторую зону измельчения. Таким образом, для обеих зон измельчения существует свое значение производительности Q. При условии 
происходит плющение зерновок без забивания материала меж зон измельчения. При нарушении указанного условия данное пространство забивается материалом, и прекращается поступление зерновок на измельчение. Указанное условие повлияло на методику исследований: отдельными сериями экспериментов изучались обе зоны для последующей возможности соблюдения баланса расходов.
В качестве исследуемого при измельчении материала было использовано зерно яровой пшеницы урожая 2018 г. сорта «Селенга» влажностью 15,4%. При исследовании качественных показателей зерна пшеницы, физико-механических характеристик, геометрических размеров применялись методики в соответствии с действующими стандартами на зерно. Исследования проводились в соответствии с 3-факторным ортогональным планом с трехкратной повторностью. В качестве контрольных критериев исследуемого процесса были выбраны производительность Q и удельные энергозатраты процесса измельчения Э, в качестве независимых факторов выступали: n1 – частота вращения вальца, n2 – частота вращения эксцентрикового вала привода деки; зазор между вальцом и декой. Отдельно рассматривался зазор D1 между вальцом и декой в 1-й зоне измельчения, и отдельным планом – зазор D2 между вальцом и декой во 2-й зоне измельчения.
Вначале проводилось интерполяционное исследование 1-й зоны измельчения с целью поиска функции влияния на производительность Q зазора D1 и частот n1, n2 и установление их рациональных значений, т.к. наибольшее разрушающее воздействие происходит именно на первом этапе. При этом зазор D2 был увеличен до максимального размера, при котором не оказывается разрушающее воздействие во 2-й зоне на предварительно измельченный материал (табл. 1).
Таблица 1
Факторы и интервалы их варьирования при исследовании 1-й зоны измельчения
|
|
Нижний |
Основной |
Верхний |
Интервал |
Независимый фактор |
|
x1: |
0,8 |
1 |
1,2 |
0,2 |
D1, мм |
|
x2: |
100 |
150 |
200 |
50 |
n1, мин-1 |
|
x3: |
150 |
350 |
550 |
200 |
n2, мин-1 |
После определения рациональных значений фактора D1 проводилось исследование второй зоны измельчения при постоянном выбранном зазоре D1 на зависимость производительности и удельных энергозатрат от данных факторов (табл. 2).
Обработка результатов эксперимента производилась с помощью программного обеспечения PlanExp«B-D13» v.1.0.
Результаты исследований. По результатам обработки и анализа данных зависимости производительности первой зоны измельчения от ряда факторов (табл. 3) была получена целевая функция отклика Q=Y11(x1, x2, x3) (1) и установлено, что её экстремум находится в пределах варьирования переменных факторов (рис. 2).
Таблица 2
Факторы и интервалы их варьирования при исследовании 2-й зоны измельчения
|
|
Нижний |
Основной |
Верхний |
Интервал |
Независимый фактор и его размерность |
|
x1: |
0,6 |
0,8 |
1 |
0,2 |
D2, мм |
|
x2: |
100 |
150 |
200 |
50 |
n1, мин-1 |
|
x3: |
150 |
350 |
550 |
200 |
n2, мин-1 |
Таблица 3
План эксперимента и значения критерия оптимизации при определении оптимальной
производительности 1-й зоны измельчителя
|
Номер опыта (u) |
Матрица планирования |
Натуральные значения переменных |
Критерий оптимизации (Q=Y11(x1, x2, x3), кг/ч) |
||||||
|
x1 |
x2 |
x3 |
D1, мм |
n1, об/мин |
n2, об/мин |
Y11 (u, 1) |
Y11 (u, 2) |
Y11 (u, 3) |
|
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
0,8 |
100 |
150 |
55 |
53 |
61 |
|
2 |
+1 |
-1 |
-1 |
1,2 |
100 |
150 |
150 |
149 |
151 |
|
3 |
-1 |
+1 |
-1 |
0,8 |
200 |
150 |
430 |
500 |
502 |
|
4 |
-1 |
-1 |
+1 |
0,8 |
100 |
550 |
692 |
690 |
705 |
|
5 |
-1 |
0 |
0 |
0,8 |
159,5 |
388 |
910 |
900 |
1020 |
|
6 |
0 |
-1 |
0 |
1,038 |
100 |
388 |
2850 |
2290 |
2284 |
|
7 |
0 |
0 |
-1 |
1,038 |
159,5 |
150 |
592 |
580 |
600 |
|
8 |
0 |
+1 |
+1 |
0,942 |
200 |
550 |
3010 |
3020 |
2892 |
|
9 |
+1 |
0 |
+1 |
1,2 |
135,5 |
550 |
2004 |
2010 |
2000 |
|
10 |
+1 |
+1 |
0 |
1,2 |
200 |
292 |
1840 |
1830 |
1832 |
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 2. График зависимости производительности в первой зоне измельчения от частоты вращения вальца x2, частоты вращения эксцентрикового вала привода деки x3 при величине зазора x1=0 (1 мм) (а)
и двумерное сечение полученной поверхности (б)
Уравнение регрессии производительности измельчителя по первой зоне измельчения, кг/с:
(1)
Значение экстремума составляет Y11_opt=2238,84 кг/ч. Экстремуму функции отклика соответствуют значения факторов: x2= -0,333 (133,4 мин-1) и x3=0,63 (476 мин-1) при x1=0 (1 мм).
В качестве дополнительного критерия, оценивающего качественные характеристики измельченного материала, был выбран модуль помола М, мм.
При анализе зависимости производительности 2-й зоны от ряда факторов (табл. 4),
являющейся общей для всего измельчителя, выяснилось, что целевая функция зависимости Q=Y21(x1, x2, x3) имеет 3 экстремума (табл. 5), удельные энергозатраты имеют 1 экстремум, а модуль помола не имеет явных экстремумов.
Таблица 4
План эксперимента и значения критериев оптимизации при определении производительности
и энергозатрат 2-й зоны измельчителя
|
Номер |
Матрица планирования |
Критерий оптимизации (Q=Y21(x1, x2, x3), кг/ч) |
Критерий оптимизации (Э=Y22(x1, x2, x3), (Вт∙ч)/кг) |
Критерий оптимизации (М=Y23(x1, x2, x3), мм) |
||
|
x1 |
x2 |
x3 |
Y21 ср |
Y22 ср |
Y23 ср |
|
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
144 |
6,78 |
1,81 |
|
2 |
+1 |
-1 |
-1 |
145 |
6,56 |
2,9 |
|
3 |
-1 |
+1 |
-1 |
679 |
1,74 |
1,97 |
|
4 |
-1 |
-1 |
+1 |
565 |
1,93 |
0,52 |
|
5 |
-1 |
0 |
0 |
864,67 |
1,38 |
0,91 |
|
6 |
0 |
-1 |
0 |
281,75 |
3,87 |
1,45 |
|
7 |
0 |
0 |
-1 |
2239,87 |
1,92 |
2,44 |
|
8 |
0 |
+1 |
+1 |
2577,60 |
0,51 |
0,39 |
|
9 |
+1 |
0 |
+1 |
1483,53 |
0,77 |
1,32 |
|
10 |
+1 |
+1 |
0 |
1668,25 |
1,16 |
1,96 |
Таблица 5
Оптимальные значения критериев оптимизации и соответствующих факторов
при исследовании 2-й зоны измельчения
|
Q= Y21_opt(x1,x2,x3), кг/ч |
x1 (Δ2, мм) |
x2 (n1, мин-1) |
x3 (n2, мин-1) |
|
1851,902 |
0 (0,8) |
0,591 (179,55) |
-0,219 (306,2) |
|
1658,705 |
0,173 (0,835) |
0 (150) |
-0,144 (321,2) |
|
1957,333 |
0,337 (0,867) |
0,711 (185,55) |
0 (350) |
|
Э = Y22_opt(x1,x2,x3), (Вт∙ч)/кг |
x1 |
x2 |
x3 |
|
1,017 |
0 (0,8) |
0,948 (197,4) |
-0,614 (227,2) |
В результате обработки данных по второй зоне были получены уравнения зависимости производительностиY21=f(x1, x2, x3) (2), удельных энергозатрат Y22=f(x1, x2, x3) (3) и модуля помола Y23=f(x1, x2, x3) (4) от конструктивных и кинематических параметров измельчителя (x1, x2, x3). Коэффициенты корреляции расчетных и экспериментальных значений для приведенных функций равны соответственно: для 
– R11=0,988; для 
– R21=0,985; для 
– R22=0,992; для 
– R23 =0,971. Каждое из уравнений (1-4) прошло проверку по F-критерию Фишера и является адекватным.
Уравнение регрессии производительности измельчителя по второй зоне измельчения, кг/с:
(2)
Уравнение регрессии энергозатрат измельчения, Вт×ч/кг:
. (3)
Уравнение регрессии модуля помола зерна после второй зоны измельчения, мм:
(4)
Для поиска оптимального значения производительности (Q) и удельных энергозатрат (Э) при измельчении зерна во второй зоне, на основании данных (табл. 4) была построена поверхность отклика, показывающая корреляционную зависимость между модулем помола М и оставшимися двумя критериями оценки процесса (рис. 3). В результате графического анализа удалось установить, что при увеличении требуемого получаемого значения модуля помола согласно зоотехническим требованиям от 1 до 2,6 мм наблюдается сближение оптимальных значений производительности Q=1658,705 кг/ч и удельных энергозатрат процесса измельчения Э=1,017 (кВт×ч)/кг, при соблюдении баланса производительностей на этапах измельчения (рис. 4).
Рис. 3. График корреляционной зависимости модуля помола М от производительности Q
и удельных энергозатрат Э
|
|
|
|
|
a |
b |
c |
|
|
|
|
|
d |
e |
f |
Рис. 4. График влияния частот вращения вальца х2 и эксцентрикового вала привода деки х3
на производительность Q, кг/ч:
а – после первого зазора D1=1 мм, по формуле (1); b, c, d, e, f – после второго зазора D2, по формуле (2),
при зазорах D2, соответствующих х1= -1; -0,5; 0; +0,5; +1,соответственно;
при наложении значений производительности после первого зазора D1=1 мм
Для проверки соответствия производительностей измельчителя по ступеням измельчения произведено моделирование производительностей по выражениям (1) и (2). На рисунке 4, а представлена производительность после первого этапа измельчения по выражению (1) (серия экспериментов по таблице 1) на выходе из рекомендуемого зазора D1=1 мм. На последующих графиках рисунка 4 указанная производительность дана для контроля красными линиями. Так же даны производительности (серия экспериментов по таблице 2) по выражению (2) при зазорах D2, соответствующих х1= -1; -0,5; 0; +0,5; +1, соответственно. Рекомендуемая зона совпадает по производительности в обоих зазорах и выделена на рисунке 4, d зеленой штриховкой.
Заключение. В результате проведенных исследований процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе разработана методика, позволяющая оценить процесс получения дробленого материала с позиции удельного расхода энергии, производительности и модуля помола. На основании графического анализа зависимости значений установленных функций модуля помола от производительности и энергозарат обнаружены оптимальные значения конструкции измельчителя, при которых возможно одновременное сочетание высокой производительности, соответствующей Q=1658,7 кг/ч и низких удельных энергозатрат процесса измельчения
Э=1,017 (кВт×ч)/кг, что соответствует модулю помола зерна для крупного рогатого скота М=2,6 мм, при конструктивных и кинематических параметрах зазоров дробилки: D1=1 мм, D2=0,8-0,84 мм, при частоте вращения вальца n1=150-197 мин-1, и вала привода эксцентриковой деки n2=227-321 мин-1.
1. Коновалов В. И. Обоснование технологического процесса измельчения и параметров одновальцово-декового измельчителя зерна : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01 / Коновалов Виктор Иванович. - Улан-Удэ, 2013. - 131 с.
2. Коновалов, В. И. Анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований одновальцово-декового измельчителя зерна / В. И. Коновалов, М. Б. Балданов // Вестник Бурятской государственной сель-скохозяйственной академии им. В. Р. Филиппова. - 2014. - №4 (37). - С. 68-73.
3. Коновалов В. И. Обоснование параметров вальцедекового измельчителя зерна / В. И. Коновалов, Н. А. Урханов // Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. - 2012. - №4 (39). - С. 64-67.
4. Коновалов, В. И. О некоторых особенностях конструкции вальцедекового измельчителя фуражного зер-на / В. И. Коновалов, Н. А. Урханов, M. Б. Балданов // Вестник Бурятской государственной сельскохозяй-ственной академии им. В. Р. Филиппова. - 2013. - №2 (31). - С. 49-53.
5. Коновалов, В. И. Анализ процесса измельчения фуражного зерна в одновальцово-дековом измельчите-ле / В. И. Коновалов, И. Б. Шагдыров, М. Б. Балданов, А. И. Пунько // Механизация и электрификация сель-ского хозяйства : Межведомственный тематический сборник : в 2 т. - Минск : Республиканское унитарное предприятие «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сель-ского хозяйства», 2014. - С. 99-104.
6. Пунько, А. И. Экспериментальное исследование вальцовой дробилки зернофуража ДВ-3 / А. И. Пунько, М. В. Иванов, Н. А. Воробьев, С. А. Дрозд // Механизация и электрификация сельского хозяйства : Межве-домственный тематический сборник : в 2 т. - Минск : Республиканское унитарное предприятие «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства», 2016. - С. 27-31.
7. Шагдыров, И. Б. Анализ устройств для измельчения фуражного зерна / И. Б. Шагдыров, В. П. Мацуков, В. И. Коновалов, А. И. Шагдыров // Научные проблемы и технологические аспекты модернизации АПК и развития сельских территорий Байкальского региона : материалы научно-практической конференции, по-священной Дню российской науки и 85-летию образования ФГБОУ ВО «Бурятская ГСХА имени В. Р. Фи-липпова». - Улан-Удэ : БГСХА, 2016. - С. 125-129.
