CC BY
6
УДК 631.3 DOI 10.51794/27132064-2022-1-59
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА
С.Ю. Булатов, доктор технических наук, доцент
B.Н. Нечаев, кандидат технических наук, доцент
C.Л. Низовцев, аспирант
ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет
E-mail: bulatov_sergey_urevich@mail.ru
А.Г. Сергеев, кандидат технических наук
ООО «Доза-Агро»
E-mail: office@ukdoza.com
Аннотация. Представлены результаты исследований, направленных на определение количественных и энергетических показателей рабочего процесса измельчителя зерна, рабочим органом которого является цилиндрическая фреза. Дана информация об используемых на сегодняшний день машинах и оборудовании для измельчения зерна, сформулирована цель настоящих исследований. Представлены описание установки, методика проведения исследования и определения основных параметров рабочего процесса измельчителя, измерительные приборы, которые использовались во время проведения экспериментов. Все опыты проводились в лаборатории ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет с применением современных измерительных приборов. В результате исследований выявлены закономерности изменения пропускной способности измельчителя в зависимости от частоты вращения фрезы и диаметра отверстий решета. Установлено, что пропускная способность измельчителя описывается параболой, направленной ветвями вверх. Также показано влияние данных параметров на показатели энергопотребления процесса измельчения. Определено, что полная потребляемая мощность и удельные энергозатраты снижаются с уменьшением частоты вращения фрезы. В результате исследований выявлено, что предложенная конструкция измельчителя обладает относительно невысокой пропускной способностью и высокими удельными энергозатратами. В связи с этим сделан вывод о необходимости дальнейших исследований по модернизации конструкции. К таким мероприятиям по модернизации можно отнести увеличение площади решетки и снижение частоты вращения фрезы. Ключевые слова: зерновка, измельчение, параметр, пропускная способность, энергозатраты.
Введение. Как известно, зерновые являются основой комбикормов и входят в полнорационные корма сельскохозяйственных животных. В РФ зерновые традиционно измельчают перед скармливанием, используя широко распространенные молотковые дробилки [1-4]. В меньшей степени применяются плющилки зерна [5-8]. В данных машинах применяются принципы удара по зерновке и ее сдавливание [9, 10]. Предложено рассмотреть возможность применения способа скалывания и срезания зерновки. Для этого разработан измельчитель, рабочим органом которого является цилиндрическая фреза. Проведены предварительные исследования его рабочего процесса.
Целью данных исследований являлось определение количественных и энергетических показателей рабочего процесса измельчения зерна в разработанном измельчителе.
Материалы и методика исследований. Измельчитель состоит из корпуса цилиндрической формы, внутри которого на валу электродвигателя установлена цилиндрическая фреза, а на боковой поверхности корпуса выполнено отверстие с расположенным в нем ножом-противорезом [11]. Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 1. Перед проведением опытов с помощью комплекта измерительного оборудования Testo 440 фиксировали параметры окружающего воздуха.
Рис. 1. Общий вид лабораторной установки измельчителя зерна
Влажность измельчаемого зерна фиксировали с помощью влагомера Фауна-М. Массу измельченного зерна при определении производительности измельчителя определяли на весах фирмы Нойек (рис. 2).
Одним из предметов исследования являлась частота вращения фрезы. Частоту вращения изменяли с помощью встроенного в шкаф управления частотного преобразователя (рис. 3, а), а определение частоты вращения фрезы осуществляли с помощью цифрового тахометра БТ2234С (рис. 3, в). При проведении эксперимента проводилась фикса-
ция потребляемой мощности цифровым измерительным прибором К 505 (рис. 3, б).
Эксперименты проводили в следующей последовательности. Устанавливали с помощью частотного преобразователя максимальную частоту вращения вала, значение которой определяли цифровым тахометром БТ2234С. Загружали в накопительный бункер зерно, включали измельчитель, открывали заслонку и ждали наступления номинального режима. Подставляли под выгрузной патрубок ведро и фиксировали массу измельченного за определенное время зерна [12, 13]. Далее по известным формулам рассчитывали пропускную способность как отношение измельченной массы ко времени измельчения в режиме номинальной нагрузки. Параллельно определению пропускной способности проводили фиксацию полной потребляемой электроэнергии с помощью измерительного прибора К 505. Все параметры записывали в лабораторный журнал. После этого вычисляли удельное энергопотребление через отношение полной мощности к пропускной способности измельчителя.
в)
Рис. 2. Общий вид приборов и оборудования для определения параметров воздуха и зерна: а - комплект измерительного оборудования Testo 440; б - Фауна-М; в - весы Hottek
Рис. 3. Общий вид шкафа управления и приборов
для определения энергетических и кинематических характеристик измельчителя:
а - шкаф управления; б - прибор для измерения потребляемой мощности К 505; в - цифровой тахометр DT2234C
от 4 до 5,5 мм с интервалом 0,5 мм. Все опыты проводились на зерне ячменя сорта «Рушан» 2021 года закладки влажностью 8%.
Результаты и обсуждение исследований. Эксперименты проводились в лаборатории ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет при следующих параметрах воздуха: температура 23°С, влажность 18%.
На рисунке 4 показаны графики изменения пропускной способности измельчителя. Как видно, наименьшая пропускная способность - при использовании решетки с отверстиями диаметром 4 мм, а наибольшая - при 4,5 мм. При увеличении диаметра отверстий с 4,5 до 5,5 мм пропускная способность уменьшается при всех режимах п. Данную картину можно объяснить условиями защемления зерновок зубьями фрезы в отверстиях. Наилучшие условия защемления наблюдаются при диаметре отверстий 4,5 мм. При увеличении диаметра отверстий условия защемления ухудшаются, увеличивается опрокидывающий момент, вследствие чего зерновка не успевает расколоться и провалиться в отверстие, а вновь оказывается в камере измельчения.
Опыты проводили, начиная с максимальной частоты вращения фрезы с дальнейшим ее понижением с шагом 200 мин-1. По
55 50 45 40 35 30 25
.Q, кг/ч
результатам опытов строились графики изменения пропускной способности, полной потребляемой мощности и удельных энергозатрат в зависимости от частоты вращения фрезы.
Нож-противорез устанавливали с вылетом 1 мм под углом 30° относительно касательной к радиусу фрезы. Также оценивалось влияние диаметра отверстий решет. Исследовали решетки с диаметрами отверстий
20
N
«4 4
N "«4 V
N > \ i у
4 •ч ч / —^
»4 * ......... ✓
■ - -. ---■
1500
1700 1900 2100 2300 - 4,5 мм;-- 5 мм;.....
2500 2700 n, мин- 5,5 мм;---- 4 мм
Рис. 4. Влияние частоты вращения рабочего
органа и диаметра отверстий решета на пропускную способность измельчителя
1
1,5
1,3
1,1
0,9
0,7
Р, кВт
0,5
1500
В случае диаметра отверстий 4 мм создаются наихудшие условия для прохождения зерновки сквозь отверстия. Также необходимо отметить снижение пропускной способности измельчителя при снижении частоты вращения фрезы с 2970 до 2570 мин-1.
Дальнейшее снижение частоты вращения до 1570 мин-1 ведет к плавному росту пропускной способности. При значении 1570 мин-1 достигается максимальное значение данного показателя. Как показали опыты, при значениях п, меньших 1570 мин-1, происходит забивание и остановка измельчителя. Поэтому на графиках представлен диапазон частот от 1570 мин-1 до максимального 2970 мин-1. С увели- w квтч/т чением частоты вращения фрезы происходит значительное возрастание линейной скорости как зубьев фрезы, так и зерновок. Вследствие этого зерновки не успевают пройти сквозь отверстия решет, что ведет к снижению пропускной способности. Рост пропускной способности в диапазоне от 2570 до 2970 мин-1 можно объяснить увеличением вклада в движение зер- 1500 1700
новки воздушного потока, кото- ___ 4
рый способствует наиболее быстрому выводу зерновок из камеры измельчения.
Анализ кривых, характеризующих изменение энергетических показателей, показывает, что наименьшие значения наблюдаются при минимальных частотах вращения фрезы независимо от диаметра отверстий решет (рис. 5 и 6). Тем не менее, наблюдаемые значения показателей энергоэффективности достаточно высокие - порядка 10-15 кВтч/т. Однако неоспоримым преимуществом данного измельчителя перед молотковыми дробилками являются не только меньшие габариты, но и возможность измельчения зерна со сравнительно меньшей частотой вращения рабочего органа.
/
/ /
У
- _____ ....... • • • *
2000
■ 4,5 мм;
■ - 5 мм;
2500 - 5,5 мм;
п, мин' - 4 мм
-1
Рис. 5. Влияние частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстий решета на полную потребляемую мощность измельчителя
40
35
30
25
20
15
10
..."
1900 5 мм;
2100 2300 — - 5 мм; • • • ■
2500 2700 • - 5,5 мм; --
п, мин- 4 мм
Рис. 6. Влияние частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстий решета на удельную энергоемкость процесса измельчения
Выводы. Проведенные исследования выявили недостаточно высокую эффективность рассмотренной конструкции измельчителя при измельчении сухого зерна. При низких показателях пропускной способности (40-55 кг/ч) наблюдается высокое энергопотребление (10-15 кВтч/т). Поэтому необходимы дальнейшие исследования по модернизации конструкции. В частности, повысить энергоэффективность рабочего процесса предложенного измельчителя можно за счет увеличения площади решетки и одновременного снижения частоты вращения фрезы.
Литература:
1. Пат. 2511309 РФ. Молотковая дробилка / Савиных П.А. и др. Заяв.16.07.12; Опубл. 10.04.14, Бюл. № 3.
2. Дринча В.М. Применение молотковых мельниц в индивидуальном производстве кормов // Кормопроизводство. 2013. № 1. С. 43-45.
3. Экспериментально-теоретическое исследование работы молотковой дробилки / Коношин И.В. и др. // Вестник Курской ГСХА. 2018. № 9. С. 198-204.
4. Пат. 2273520 РФ. Дробилка / Н.Ф. Баранов и др. За-яв. 05.10.04; Опубл. 10.04.06, Бюл. № 10.
5. Сысуев В.А. Исследования технологических параметров движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна // Вестник ВИЭСХ. 2014. № 4. С. 6-10.
6. Мошонкин А.М., Чернятьев Н.А., Герасимова С.П. Исследования и оптимизация конструктивно-технологических параметров питающего устройства плющилки зерна // Вестник НГИЭИ. 2020. № 4(107). С. 5-15.
7. Анализ данных лабораторных исследований дисковой плющилки зерна / Терёхин М.А. и др. // Нива Поволжья. 2014. № 4(33). С. 110-117.
8. Казаков В.А. Движение зерновки в рабочей зоне двухступенчатой плющилки зерна // Вестник НГИЭИ. 2013. № 12(31). С. 36-42.
9. Куприц Я.Н. Физико-механические основы размола зерна. М., 1978. 240 с.
10. Нанка О.В. Способы механического воздействия при измельчении фуражного зерна и их энергетическая оценка // Агротехника и энергообеспечение. 2014. № 1(1). С. 204-209.
11. Пат. 2737143 РФ. Измельчитель сыпучих продуктов / Миронов К. и др. Заяв. 26.02.20; Опубл. 25.11.20.
12. Испытания сельскохозяйственной техники: РД.10. 19.2-90. М., 1990. 20 с.
13. Сельскохозяйственная техника: СТО АИСТ 19.22008. Минск, 2008. 47 с.
Literatura:
1. Pat. 2511309 RF. Molotkovaya drobilka / Savinyh P.A. i dr. Zayav.16.07.12; Opubl. 10.04.14, Byul. № 3.
2. Drincha V.M. Primenenie molotkovyh mel'nic v indivi-dual'nom proizvodstve kormov // Kormoproizvodstvo.
2013. № 1. S. 43-45.
3. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie raboty molotkovoj drobilki / Konoshin I.V. i dr. // Vestnik Kur-skoj GSKHA. 2018. № 9. S. 198-204.
4. Pat. 2273520 RF. Drobilka / N.F. Baranov i dr. Zayav. 05.10.04; Opubl. 10.04.06, Byul. № 10.
5. Sysuev V.A. Issledovaniya tekhnologicheskih paramet-rov dvizheniya zernovki v dvuhstupenchatoj plyushchilke zerna // Vestnik VIESKH. 2014. № 4. S. 6-10.
6. Moshonkin A.M., CHernyat'ev N.A., Gerasimova S.P. Issledovaniya i optimizaciya konstruktivno-tekhnologi-cheskih parametrov pitayushchego ustrojstva plyushchilki zerna // Vestnik NGIEI. 2020. № 4(107). S. 5-15.
7. Analiz dannyh laboratornyh issledovanij diskovoj plyushchilki zerna / Teryohin M.A. i dr. // Niva Povolzh'ya.
2014. № 4(33). S. 110-117.
8. Kazakov V.A. Dvizhenie zernovki v rabochej zone dvuhstupenchatoj plyushchilki zerna // Vestnik NGIEI. 2013. № 12(31). S. 36-42.
9. Kupric YA.N. Fiziko-mekhanicheskie osnovy razmola zerna. M., 1978. 240 s.
10. Nanka O.V. Sposoby mekhanicheskogo vozdejstviya pri izmel'chenii furazhnogo zerna i ih energeticheskaya ocenka // Agrotekhnika i energoobespechenie. 2014. № 1 (1). S. 204-209.
11. Pat. 2737143 RF. Izmel'chitel' sypuchih produktov / Mironov K. i dr. Zayav. 26.02.20; Opubl. 25.11.20.
12. Ispytaniya sel'skohozyajstvennoj tekhniki: RD.10.19. 2-90. M., 1990. 20 s.
13. Sel'skohozyajstvennaya tekhnika: STO AIST 19.22008. Minsk, 2008. 47 s.
THE EXPERIMENTAL STUDIES OF GRAIN SHREDDER'S QUANTITATIVE AND ENERGY
INDICATORS RESULTS S.Y. Bulatov, doctor of technical sciences, docent V.N. Nechaev, candidate of technical sciences, docent S.L. Nizovtsev, post-graduate student
GBOU VO Nizhny Novgorod state university of engineering-and-economics A.G. Sergeev, candidate of technical sciences OOO «Doza-Agro»
Abstract. The studies results aimed at the grain shredder's quantitative and energy parameters and working process, which working body is a cylindrical milling cutter are presented. Information about grain grinding machines and equipment used today is given, the purpose of these studies is form ulated. The installation's description, shredder's working process research methodology and the its main parameters are determining, measurement instrume-nts used during the experiments are presented. All experiments in the Nizhny Novgorod state university of engineering and economics' laboratory with modern measuring instruments were carried out. As a research result, patterns of shredder's throughput changes in the depending on the cutter's milling rotation speed and the sieve holes' diameter were revealed. It is established that the shredder's throughput by a parabola directed by upward branches is described. The influence of these parameters on the grinding process's energy consumption indicators is also shown. It is determined that the total power and specific energy consumption at milling cutter's speed decreasing are decreased. As this research result it was revealed that proposed shredder's design has a relatively low throughput and high specific energy consumption. In this regard, it was concluded that further research this design to modernize is needed. Such modernization measures include grid area increasing and milling cutter's rotation speed decreasing. Keywords: grain, grinding, parameter, throughput, energy consumption.
