CC BY
47
УДК 631.363.25
Исследование измельчителя фуражного зерна роторно-центробежного типа с различными рабочими органами
Савиных Петр Алексеевич, доктор технических наук, профессор e-mail: peter.savinyh@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого»
Палицын Андрей Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель
e-mail: labkrem1@mf.molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Иванов Илья Игоревич, инженер e-mail: labkrem1@mf.molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье приведены результаты исследования экспериментального измельчителя фуражного зерна роторно-центробежного типа при использовании различных типов рабочих органов (ножей). Определена их оптимальная геометрическая форма из условий минимальных энергозатрат на процесс измельчения и регулировки гранулометрического состава дерти на выходе с измельчителя.
Ключевые слова: зерно, разрушение, центробежный измельчитель, ротор, нож, энергоемкость.
Динамичное развитие современного животноводства как отрасли народного хозяйства невозможно без использования концентрированных кормов. Различные группы сельскохозяйственных животных нуждаются в концентрированных кормах, которые имеют существенные отличия как по составу исходных компонентов, так и по гранулометрическим характеристикам [1, 2]. Значительную долю в себестоимости концентрированных кормов составляют затраты на их измельчение. В связи с этим исследования, направленные на снижение удельных энергозатрат при их производстве, повышение однородности гранулометрического состава дерти на выходе из измельчителя, а также на повышение универсальности настроечных и регулировочных характеристик измельчителя, являются актуальными в настоящее время [3, 4].
Перспективным направлением по снижению удельных затрат энергии при измельчении зерна механическим способом является оптимизация конструктивных параметров измельчительных устройств, а также выбор и обоснование оптимальных технологических режимов осуществления процесса. При этом необходимо на выходе из измельчителя получать гранулометрический состав дерти, отвечающий зоотехническим требованиям. Практический интерес для измельчения зерна представляют конструкции измельчителей, работающие в пограничной области, совмещающие процесс измельчения скалыванием и срезом со своевременным выводом готового продукта [1, 3].
Проведенный обзор научно-технической и патентной литературы [5-9] по исследуемой проблеме показал, что существующие измельчители зерна имеют ряд недостатков, основные из которых: большая металло- и энергоемкость, неравномерность гранулометрического состава измельчаемого продукта, большое выделение пылевидной фракции, значительные вращающиеся массы, быстрый износ рабочих органов, нагрев продукта.
По результатам теоретических исследований предложена конструкция измельчителя зерна роторно-центробежного типа [10], принципиальная схема которого представлена на рисунке 1. Устройство для измельчения сыпучих материалов состоит из неподвижного корпуса 1 с загрузочным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса соосно установлены два смежных диска: верхний (статор) 4 и нижний (ротор) 5. На рабочей поверхности нижнего вращающегося диска 5 выполнены кольцевые выступы 6, а на рабочей поверхности верхнего диска 4 установлены ножи 7, причем наружный ряд ножей 8 образует сепарирующую поверхность, изменение угла наклона которых позволяет бесступенчато регулировать степень измельчения материала. Нижний диск 5 имеет в радиальном направлении сквозные пазы 9, выполненные под наклоном в сторону противоположную направлению вращения данного диска. Нижний диск 5 укреплен на фланце приводного вала 10 и приводится во вращение посредством установленного на нем шкива 11. Верхний диск 4 жестко закреплен к неподвижному корпусу 1. В верхней части неподвижного корпуса установлена приемная камера 12, которая образована вертикальными стенками. Приемная камера 12 в верхней части сообщена с загрузочным патрубком 2 и посредством радиальных окон 13 связана с рабочей камерой 14, представляющей собой пространство между дисками 4 и 5.
2
12 13
14
3
у
10
4
7
6
5
8
1
Рисунок 1. Принципиальная схема измельчителя зерна роторно-центробежного типа: 1 - корпус; 2 - загрузочный патрубок; 3 - выходной патрубок; 4 - верхний диск (статор); 5 - нижний диск (ротор); 6 - кольцевые выступы; 7 - ножи; 8 - наружный ряд ножей; 9 - сквозные пазы; 10 - приводной вал; 11 - шкив; 12 - приемная камера; 13 - радиальные окна; 14 - рабочая камера.
Устройство для измельчения сыпучих материалов работает следующим образом. Сыпучий материал подается в загрузочный патрубок 2, из которого заполняет приемную камеру 12. Измельчаемый материал через радиальные окна 13 приемной камеры 12 поступает в рабочую камеру 14 между верхним неподвижным диском 4 и вращающимся нижним диском 5. Проходя под действием центробежных сил по радиальным сквозным пазам, материал измельчается посредством среза на режущих парах, образованных соседними кромками смежных выступов противоре-жущей пластины 6 и ножей 4. Измельчаемый материал, подвергшись воздействию первой режущей пары, движется под действием центробежных сил по сквозным пазам к следующим парам, а далее, достигнув наружного ряда ножей 8, которые образуют сепарирующую поверхность, проходит в зазор между ножами 8 и под воздействием воздушного потока, создаваемого вращающимся нижним диском 5, выходит из корпуса 1 через выходной патрубок 3.
Для определения конструктивно-технологических параметров измельчителя, позволяющих получить готовый продукт, удовлетворяющий зоотехническим требованиям при минимальных удельных энергозатратах, проведены поисковые исследования. Общий вид экспериментальной установки измельчителя зерна ротор-но-центробежного типа представлен на рисунке 2.
Рисунок 2. Общий вид экспериментальной установки измельчителя зерна роторно-центробежного типа: 1 - загрузочный бункер, 2 - шнековый дозатор, 3 - измельчитель зерна роторно-центробежного типа, 4 - электродвигатель шнекового дозатора, 5 - электродвигатель измельчителя, 6 - оптический тахометр.
При исследованиях использовались четыре типа ножей: круглые, шестигранные, квадратные и ромбовидные. Их общий вид в боковой проекции представлен на рисунке 4, а на рисунке 5 представлена их радиальная проекция. Исследования были проведены при ступенчатом изменении частоты вращения нижнего диска измельчителя (ротора) от 800 мин-1 до 1400 мин-1 для двух различных режимов подачи зерна шнековым питателем.
Режимы подачи зерна шнековым питателем задавались изменением частоты питающего тока, преобразователем частоты Е3-8100К-S2L и в экспериментах составляли 30 и 60 Гц. В экспериментах, проведенных на производственной базе СПК «Колхоз Андога» Кадуйского района Вологодской области, для измельчения использовалась зерновая смесь из 50% овса и 50% ячменя. В данных опытах рабочая вершина ножа устанавливалась на проекцию диаметра закрепления ножей на статоре измельчителя. Пример установки рабочей вершины шестигранного ножа представлен на рисунке 3.
Рисунок 3. Установка рабочей вершины ножа на статоре измельчителя: 1 - рабочая вершина ножа; 2 - проекция диаметра закрепления ножей на статоре измельчителя.
а
б
в
г
Рисунок 4. Общий вид ножей статора измельчителя фуражного зерна роторно-центробежного типа в боковой проекции: а - круглый; б - шестигранный; в - квадратный; г - ромбовидный.
Рисунок 5. Общий вид ножей статора измельчителя фуражного зерна роторно- ентробежного типа в радиальной проекции: а - круглый; б - шестигранный; в - квадратный; г - ромбовидный.
Геометрические размеры ножей измельчителя по двум осям (max и min), коэффициент вариабельности (отношение большего размера к меньшему), а также рабочий угол ножа представлены в таблице.
Таблица. Геометрические размеры ножей
Тип ножа Размер max, мм Размер min, мм Коэффициент вариабельности К Рабочий угол, градус / радиус, мм
круглый 14 14 1 7
шестигранный 15,5 14 1,1 120
квадратный 15,8 12 1,32 90
ромбовидный 30 10 3 35
Изменение удельных энергозатрат при использовании различных типов ножей представлены на рисунке 6 - для подачи зерна шнековым питателем на 30 Гц, на рисунке 7 - для подачи зерна шнековым питателем на 60 Гц.
3. кВт/кг
2.5 -
Круглые ножи Шестигранные ножи
Рисунок 6. График изменения удельных энергозатрат при изменении частоты вращения ротора измельчителя
} кВт/кг
2.5 -
2--
300 100 О 1200 1400
РомбоБидные ножи
Рисунок 7. График изменения удельных энергозатрат при изменении частоты вращения ротора измельчителя
Квадратные ножи
Анализ зависимостей показывает, что при одинаковых частотах вращения ротора измельчителя, наименьшие энергозатраты получены при использовании ножей квадратной и ромбовидной формы. При использовании ножей квадратного профиля при изменении частоты вращения с 800 до 1400 мин-1 и подаче питателя на 30 Гц, энергозатраты изменялись с 1,22 до 1,55 кВт/кг, а при увеличении подачи питателя до 60 Гц с 0,95 до 1,08 кВт/кг соответственно. При использовании ножей ромбовидного профиля при изменении частоты вращения с 800 до 1400 мин-1 и подаче питателя на 30 Гц, энергозатраты изменялись с 1,41 до 1,66 кВт/кг, а при увеличении подачи питателя до 60 Гц с 0,86 до 1,04 кВт/кг соответственно.
Данный измельчитель работает на относительно небольших (порядка 1000 мин-1) частотах вращения ротора. Вследствие этого измельчение зернового материала происходит в пограничных областях: скалывание, срез - в первом кольцевом выступе ротора (рисунок 8 - 1), ударное разрушение, дробление - во втором кольцевом выступе (рисунок 8 - 2). Это обусловлено как различными линейными скоростями измельчаемого материала относительно ножей в кольцевых выступах ротора, так и различным зазором, который может быть установлен между коль-
цевым выступом ротора и ножом. Зазор может быть постоянным (заданным изначально конструктивными параметрами, например ножа) или переменным, который может быть изменен в процессе эксплуатации измельчителя (например изменением угла атаки ножа относительно крепежного радиуса). Коэффициент вариабельности ножа характеризует отношение большего размера к меньшему, и чем этот коэффициент больше, тем в больших пределах можно осуществлять регулирование процесса измельчения, задавая требуемый гранулометрический состав дерти на выходе с измельчителя [4, 11].
На рисунке 8, представлен пример изменения фракционного состава измельчаемого материала по мере его продвижения от центра к периферии ротора измельчителя.
Рисунок 8. Изменение фракционного состава измельчаемого материала по мере его продвижения от центра к периферии измельчителя: 1 - первый кольцевой выступ ротора, 2 - второй кольцевой выступ ротора.
Дальнейшие исследования по определению влияния частоты вращения ротора, подачи зернового материала на гранулометрический состав дерти на выходе из измельчителя были проведены с использованием ножей ромбовидного профиля при постоянном зазоре между рабочими вершинами ножей и кольцевыми выступами в 1 мм. Изменение гранулометрического состава дерти при различных частотах вращения представлены на рисунке 9 - для подачи зерна шнековым питателем на 30 Гц, на рисунке 10 - для подачи зерна шнековым питателем на 60 Гц.
Рисунок 9. График изменения гранулометри- Рисунок 10. График изменения гранулометрического состава дерти при изменении частоты ческого состава дерти при изменении частоты вращения ротора измельчителя. вращения ротора измельчителя.
Выводы.
При дальнейших исследованиям по удельным энергозатрам целесообразно использовать ножи квадратной и ромбовидной формы, причем с увеличением объемной подачи зерна в измельчитель ромбовидные ножи работают эффективнее. При использовании ножей квадратного профиля при изменении частоты вращения с 800 до 1400 мин-1 и подаче питателя на 30 Гц энергозатраты изменялись с 1,22 до 1,55 кВт/кг, а при увеличении подачи питателя до 60 Гц - с 0,95 до 1,08 кВт/кг соответственно. При использовании ножей ромбовидного профиля при изменении частоты вращения с 800 до 1400 мин-1 и подаче питателя на 30 Гц энергозатраты изменялись с 1,41 до 1,66 кВт/кг, а при увеличении подачи питателя до 60 Гц - с 0,86 до 1,04 кВт/кг соответственно.
Результаты исследований экспериментального измельчителя показывают, что гранулометрический состав дерти на выходе изменяется в широких пределах в зависимости от частоты вращения ротора, пространственного положения ножей на статоре (углы атаки) и объемной подачи измельчаемого материала. Это позволяет получать различную степень измельчения готового продукта в зависимости от зоотехнических требований, что делает измельчитель фуражного зерна роторно-цен-тробежного типа практически универсальным.
Дальнейшие исследования целесообразно направить на оптимизацию конструктивно-технологических параметров измельчителя.
Список литературных источников:
1. Сысуев, В.А. Кормоприготовительные машины. Теория, разработка, эксперимент / В.А. Сысуев, А.В. Алешкин, П.А. Савиных. - Том I. Киров: Зональный НИ-ИСХ Северо-Востока, 2008. - 640 с.
2. Булатов, С.Ю. Разработка дробилки зерна для крестьянских хозяйств и результаты исследований по оптимизации её конструктивно-технологических параметров / С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев, П.А. Савиных. - Княгинино: Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, 2014. - 156 с.
3. Солнцев, Р.В. Центробежный измельчитель зерна / Р.В. Солнцев // Вестник Алтайского аграрного университета. - 2010. - № 4(66). - С. 76-80.
4. Палицын, А.В. Разработка и поисковые результаты исследований измельчителя роторно-центробежного типа фуражного зерна для крестьянских хозяйств /
A.В. Палицын, И.И. Иванов // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: мат-лы Междунар. научно-практ. конф. «Мосоловские чтения». - Йошкар-Ола, 2017. - Вып. 19. - С. 284-289.
5. Алёшкин, В.Р. Оптимальное распределение степени измельчения в многоступенчатых измельчителях кормов // Сельскохозяйственная наука Северо-Востока европейской части России: сб. науч. тр. НИИСХ Северо-Востока. - Киров, 1995. - Т. 4. Механизация. - С. 132-142.
6. Барабашкин, В.П. Молотковые и роторные дробилки. - 2-е изд. - М.: Недра, 1973. - 144 с.
7. Результаты исследований рабочего процесса дробилок зерна и грубых кормов / В.А. Сысуев, П.А. Савиных, Н.А. Чернятьев, В.С. Халтурин // Механизация и автоматизация технологических процессов в животноводстве: сб. тр. ВНИИМЖ. -Подольск, 1997. - Т. 5. Ч. 1. - С. 102-107.
8. Sysuev V., Savinyh P., Halturin V. Experimental researches of the grain crusher // Wykorzystanie energii odnawialnej w rolnictwie: I Miedzynarodova konferencja. -Warszawa, 1997. - S. 150-159.
9. Пат. 146644 РФ, МПК В02С 13/00. Устройство для измельчения сыпучих материалов / В.А. Сухляев, А.А. Молин, И.Н. Мезляков. - № 2013130636/13: Заявлено 03.07.2013: Опубликовано 20.10.2014.
10. Устройство для измельчения сыпучих материалов: заявка на выдачу патента РФ № 2016140749/13(065058) от 17.10.2016 / П.А. Савиных, В.Е. Саитов,
B.А. Сухляев, И.И. Иванов, А.В. Палицын.
11. Савиных, П.А. Разработка и результаты предварительных исследований измельчителя фуражного зерна для крестьянских хозяйств роторно-центробеж-ного типа / П.А. Савиных, А.В. Палицын, И.И. Иванов // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: мат-лы X Междунар. научно-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение». - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2017. - Вып. 18. - С. 84-90.
References:
1. Sysuev VA., Aleshkin A.V., Savinyh P.A. Kormoprigotovitel'nye mashiny. Teorija, razrabotka, jeksperiment [Feed-preparing machines. Theory, design, experiment]. Vol.1. Kirov, North-East Scientific Agricultural Research Institute Institution Publ., 2008. 640 p.
2. Bulatov S.Yu., Nechaev V.N., Savinyh P.A. Razrabotka drobilki zerna dlja krest'janskih hozjajstv i rezul'taty issledovanij po optimizacii ejo konstruktivno -tehnologicheskih parametrov [The crusher grain farm development and results of studies on constructive - technological parameters optimization]. Nizhny Novgorod state engineering - economic Institute (Knyaginino) Publ., 2014. 156 p.
3. Solntsev R. V. Centrifugal chopper grain. Vestnik Altajskogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai agrarian University], 2010, issue. 4 (66), pp. 76-80. (in Russian)
4. Palitsyn V. A., Ivanov I. I. The development and research results of rotary centrifugal type chopper feed grain farms. Trudy Mezhdunarudnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Mosolovskie chtenija" «Aktual>nye voprosy sovershenstvovanija tehnologii
proizvodstva i pererabotki produkcii sel>skogo hozjajstva» [Proc. of Int. Conf. «Topical issues of production technology and agricultural products processing improvement»]. Yoshkar - Ola. 2017. Vol. 19. pp. 284 - 289. (in Russian)
5. Aleshkin V. R. The optimal distribution of grinding degree in multy-stage forage shredders. Trudy NIISH Severo-Vostoka «Sel'skohozjajstvennaja nauka Severo-Vostoka evropejskoj chasti Rossii»[Proc. of the North-East Research Institute «Agricultural science of the North-East in Russia European part»], 1995. Vol.4. Mechanization, pp. 132-142.
6. Barabaskin V. P. Molotkovye i rotornye drobilki [Hammer and rotary crushers]. Moscow, Nedra Publ., 1973. 144 p.
7. Sysuev V.A., Savinykh P.A., Chernyat'ev N.A., Khalturin V.S. Research results of grain and coarse fodder crushers working process. Trudy VNIIMI «Mehanizacija i avtomatizacija tehnologicheskih processov v zhivotnovodstve» [Proc. of ASRIMC «Mechanization and automation of technological processes in animal industries], 1997, Vol. 5., pp 102-107.
8. Sysuev V., Savinyh P., Halturin V. Experimental researches of the grain crusher // Wykorzystanie energii odnawialnej w rolnictwie: I Miedzynarodova konferencja. -Warszawa. 1997. - S. 150...159.
9. Sukhlyaev V.A. e.a. Ustrojstvo dlja izmel'chenija sypuchih materialov [A device for grinding bulk materials]. Patent RF, no. 146644, 2014.
10. Savinykh P. A., e.a. Ustrojstvo dlja izmel'chenija sypuchih materialov [A device for grinding bulk materials]. Request for Patent RF, no. 2016140749/13(065058),2016.
11. Savinykh P. A., Palitsyn A.V., Ivanov I. I. Development and results of preliminary studies on fodder grain grinder for farms rotary centrifugal type. Trudy X mezhdunaodnoy konferentsii «Uluchshenie jekspluatacionnyh pokazatelej sel'skohozjajstvennoj jenergetiki» [Proc. of X Intern. Conf. «Improvement of operational indicators of agricultural energy»]. Kirov, FGBOU VPO Vyatka state agricultural Academy Publ., 2017, Vol. 18, pp. 84 - 90. (in Russian)
Study of fodder grain grinder rotary centrifugal type with
various working items
Savinykh Petr Alekseevich, Doctor of Sciences (Technics)
e-mail: peter.savinyh@mail.ru
The Federal State Budgetary Scientific Institution «North-East Agricultural Research Institute named after N. In. Rudnicki»
Palitsyn Andrey Vladimirovich, Candidate of Sciences (Technics), Associate Professor
e-mail: labkrem1@mf.molochnoe.ru
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Ivanov Il'ya Igorevich
e-mail: labkrem1@mf.molochnoe.ru
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. The experimental studies results of fodder grain grinder rotary centrifugal type with different working bodies (knives) are presented in the article. They The optimum geometrical form of fodder grain grinder is determined taking into attention minimum energy consumption for grinding and adjusting the particle size of grain on leaving a chopper.
Keywords: grain, destruction, centrifugal chopper, rotor, knife, energy.
