Justification of the improving direction design of grain crushers

Full Text

Эффективное использование кормового сырья требует его измельчения для повышения усвояемости и роста продуктивности выращиваемых животных. Чем мельче продукты измельчения, тем выше наблюдаются привесы животных [1]. Однако, в случае переизмельчения (образования пылевидной фракции), кормовая пыль попадает в дыхательный тракт (способствует легочным заболеваниям), а сухой мучнистый продукт плохо смачивается слюной, что способствует желудочно-кишечным заболеваниям [2]. Тем самым, продукты измельчения должны соответствовать зоотехническим требованиям [3]. Сам процесс измельчения кормов весьма энергоемок, а учитывая большие объемы перерабатываемых кормов, кормоизмельчение требует высокого расхода энергии. Поэтому совершенствование устройств для измельчения кормов имеет важное народно-хозяйственное значение [2, 4].

Цель исследований – обоснование перспективного направления совершенствования дробилок зерна.

Задачи исследований – провести аналитический обзор конструкций зерновых измельчителей; выявить по величине энергозатрат перспективность измельчителей скалывающего принципа действия по сравнению с молотковыми и бильными дробилками, работающими по принципу удара.

Методика и результаты исследований. Согласно ГОСТ 14916-82 «Дробилки. Термины и определения» разрушение твердого кускового материала (каким и являются семена сельскохозяйственных растений) носит название «дробление», а поэтому машины для измельчения называются «дробилками». Согласно ГОСТ 14916-82 различают: конусные, щековые, валковые, молотковые и роторные дробилки [5]. Используются различные способы нагружения (измельчения) частиц зерна. К широко известным применяемым способам относятся измельчение зерновок ударом, раскалыванием, раздавливанием (истиранием), сжатием, распиливанием (у стебельных кормов). Меньшей энергоемкостью обладают перспективные способы нагружения материала частиц (дробления): изгиб, скол, срез, растяжение [6-8].

Традиционно распространен способ измельчения ударом влет [6-8]. Он производителен, конструкция дробилки достаточно надежная и отработанная. Однако отмечается наличие завышенных значений пылевидного продукта. Анализ литературы последних двух десятилетий позволил заключить, что совершенствуется как дробильный аппарат, так и система сепарации измельченного продукта [9]. Недоизмельченные частицы дробятся вновь, что увеличивает долю пылевидной фракции. Конструкции молотков могут быть различны, как и дековые и сепарирующие элементы дробильного аппарата.

Примером подобных дробильных аппаратов является измельчитель Орловского ГАУ с переменным зазором между шарнирно подвешенными молотками и решетом [8]. В указанном материале выявлено влияние диаметра отверстий решет и увеличения радиуса спирали на энергоемкость получения дерти.

Недостатком роторных дробилок с рабочим органом в виде била (роторно-бильные дробилки) является отсутствие предохранительных элементов в случае попадания частиц металла или камня в дробильный аппарат. Это может привести к заклиниванию или поломке дробилки. В этом отношении молотковые дробилки (рис. 1) более надежны – шарнирно установленные молотки предотвращают заклинивание рабочих органов [8]. Используются дробилки как с лопастными [10-12], так и с ножевыми билами [13-15].

 

Рис. 1. Схема молотковой дробилки со спиральным решетом [8]

 

Примером бильных лопастных дробилок является конструкция (рис. 2) с отогнутыми повернутыми лопастями [10, 11]. В отличие от предыдущего рисунка, отвод измельченного продукта не только периферийный, но и боковой – с торца ротора. Поворот лопастей способствует лучшему отведению продуктов измельчения.

 

Рис. 2. Схема дробилки зерна с билами: 1 – решето; 2 – лопастное било; 3 – ротор; 4 – загрузочное окно; 5 – корпус дробилки; 6 – решето торцевое; 7 – окно выгрузное [11]

 

Известны конструкции бильных дробильных аппаратов с ножевым лопастным рабочим органом (рис. 3) [14]. Ножи способствуют скалыванию частиц, что несколько уменьшает расход энергии на дробление.

 

Рис. 3. Схема дробильного аппарата: 1 – центральная зона; 2 – воздушно-продуктовый поток в периферийной зоне; 3 – лопасть рабочего органа; 4 – корпус дробильной камеры [14]

 

Разработаны также дробилки, у которых ротор выполнен в виде радиально-отогнутых трубчатых каналов («разгонные» била) с подачей материала у оси вращения ротора [16, 17]. В данном случае разогнанные частицы выходят из трубчатых отверстий ротора (рис. 4) с высокой скоростью и ударяются о решета, выполненные в виде цилиндра вокруг вращающегося ротора. При ударе о грани отверстий решет зерновки дробятся, при этом часть частиц подается на выгрузку, а часть – отражается от решет. По отраженным частицам ротор ударяет трубчатыми направляющими как билами, и процесс измельчения продолжается. В результате часть материала дробится ударом влет, а часть – скалыванием.

 

Рис. 4. Схема центробежной дробилки зерна: 1 – корпус дробильной камеры; 2 – ротор; 3 – неподвижная лопасть ротора; 4 – подвижная лопасть ротора; 5 – решето; 6 – загрузочный бункер; 7 – канала загрузочный; 8, 9 – емкость измельченного продукта; 10 – рама; 11 – электродвигатель; 12 – клиноремённая передача; 13 – выгрузная горловина; 14 – направляющая пластина [17]

 

Большое количество сравнительных экспериментов измельчителей различных типов показали преимущество дробления за счет скалывания. Данный способ нагружения материала (дробления) зерновок менее энергоемок [18-20]. Рассматривая конструкции дробилок, реализующих данный способ измельчения, можно выделить три направления развития конструкции: центробежно-роторные дробилки с пальцевыми (штифтовыми) рабочими органами; вальцовый постав с рифлями; конусные инерционные дробилки с зубчатыми конусами по типу вальцового постава с внутренним контактом зубчато-рифленых вальцов.

Выявлены конструкции центробежно-роторных дробилок с пальцевыми (штифтовыми) рабочими органами ФГНЦ СВ им. Н. В. Рудницкого и Вологодской ГМА им. Н. В. Верещагина, Челябинского ГАУ, Омского ГАУ и др., обеспечивающие измельчение зерновок скалыванием [21-25]. Их основой является штифтовый (пальцевый) дробильный аппарат [21] различной конструкции (рис. 5), где зерновки проходят через ряды встречно движущихся штифтов (пальцев, ножей). За счет высокоскоростного заклинивания зерновок происходит скол их частей. Чрезмерно высокая взаимная скорость ножей (штифтов) способствует образованию мучнистой фракции. При малых скоростях растет вероятность прохода крупных частиц. Достоинством данных аппаратов является отсутствие мелких пазов, способствующих «засаливанию», забиванию продуктовой массой. Однако, сложность изготовления рабочих органов ограничивает применение подобных измельчителей.

 

 

Рис. 5. Схема центробежно-роторного дробильного аппарата: а – конструктивная схема; 1 – корпус дробилки; 2 – патрубок загрузочный; 3 – патрубок выгрузной; 4 – статор (верхний диск); 5 – ротор (нижний диск); 6 – кольцевые каналы; 7 – ножи; 8 – наружный ряд ножей; 9 – сквозные пазы; 10 – приводной вал; 11 – шкив; 12 – горловина загрузная; 13 – окна радиальные; 14 – рабочая камера; б – общий вид верхнего диска измельчителя с сепарирующей поверхностью и установленными ножами и схема контроля открытия сепарирующей поверхности [21]

 

Вальцовые поставы с рифлеными вальцами широко используются в мукомольном производстве. Зерновки заклинивается перед вальцами, а рифлями как фрезой срезается слой частиц. Изменяя соотношение скоростей и направление режущей кромки взаимодействующих вальцов, меняют крупность помола муки [22, 23]. Недостатком является наличие пылевидных частиц.

Вариант конструкции вальцовых измельчителей с внутренним зацеплением приведен на рисунке 6, где дека статора, по сути, выполняет роль вальца [7, 23]. Проблемным является момент забивания межзубового пространства измельченным продуктом, что снижает производительность дробилки и этим повышает энергозатраты.

 

Рис. 6. Схема роторного измельчителя скалывающего типа: 1 – корпус; 2 – бункер; 3 – ротор; 4 – зубья ротора; 5 – кожух камеры измельчения; 6 – дека зубчатая [7]

 

В этом отношении более совершенны конструкции инерционных дробилок с зубчатыми конусами, которые позволяют при дальнейшем совершенствовании их конструкции обеспечить самоочистку межзубьевых каналов по типу взаимодействия бороздок жерновых поставов. Тем самым, расширяется область применения за счет повышения влажности продукта и возможной обработки семян масличных культур.

Известны конструкции конусных инерционных дробилок с зубчатыми конусами Ставропольского ГАУ [20, 24], Пензенской ГСХА [25, 26] и Пермской ГСХА [27, 28]. Их принцип действия, по сути, достаточно схожий. В конструкции Ставропольского ГАУ на конусах нанесены винтовые каналы с разнонаправленной навивкой (рис. 7). Сравнительные испытания указанной конической дробилки с молотковыми дробилками показали ее преимущество [20].

 

 

Рис. 7. Конусная инерционная дробилка: 1 – корпус; 2 – пластина-дозатор с технологическим отверстием; 3 – технологическое отверстие; 4 – правая навивка внутреннего конуса; 5 – внутренний конус; 6 – левая навивка наружного конуса; 7 – наружный конус; 8 – вал приводной; 9 – прокладка; 10 – технологическое отверстие; 11 – регулирующая пластина [24]

 

В конструкции конусной инерционной дробилки с зубчатыми конусами (рис. 8) Пензенского ГСХА [25] пазы расположены ближе к вертикали и, по мере увеличения диаметра конуса, сделаны новые пазы. Исследован высокоскоростной режим работы рабочих органов.

 

Рис. 8. Конусная инерционная дробилка кусковых материалов: а – схема дробилки; б – схема пазов рабочего конуса; 1 – корпус; 2 – рама; 3 – загрузочная горловина; 4 – вал; 5 – подшипниковая опора; 6 – ворошитель; 7 – распределительный конус; 8 – коническая втулка; 9 – рабочий конус; 10 – коническая втулка с пазами; 11 – выгрузной скребок; 12 – выгрузной лоток; 13 – винт; 14 – гайка; 15 – электродвигатель; 16 – клиноременная передача [25]

 

У конусного инерционного измельчителя с зубчатыми конусами Пермской ГСХА [27] рабочий режим среднескоростной, а угол между рабочими кромками внутреннего и наружного конусов существенно больше (рис. 9). Использован наклонный вариант установки рабочих органов.

 

 

Рис. 9. Конусная инерционная дробилка фуражного зерна: а – схема измельчающего аппарата; S – кольцевой зазор; 1 – выгрузная камера; 2 – лезвия ножевого конуса; 3 – загрузочная камера; 4 – загрузочный бункер; 5 – приводной вал; 6 – подающий шнек; 7 – ножевой конус; 8 – противорежущие элементы корпуса; 9 – корпус измельчителя; б – общий вид измельчающего аппарата; в – схема установки: 1 – измельчающий узел; 2 – загрузочный бункер; 3 – редуктор; 4 – электродвигатель; 5 – рама [27]

 

У вальцовых плющилок и дробилок энергозатраты составляют около 3,7 кВт∙ч/т, у бичевых – около 3,2 кВт∙ч/т [29]. В то же время, по данным [19], среди всех типов дробилок наименее энергоемки измельчители, реализующие резание и скалывание зерна (центробежно-роторные измельчители) с энергозатратами 4,5-6,5 кВт∙ч/т. Подобные энергозатраты наблюдаются и у конусных инерционных дробилок [28]. Согласно данным Ставропорльского ГАУ [20], конусные инерционные дробилки обеспечивают существенное улучшение качества измельчения (83,4% соответствия крупности помола нормам, по сравнению с 44,7% у молотковых дробилок) и расход энергии составляет 0,4-1,0 кВт∙ч/т. С уменьшением помола резко растут энергозатраты, или на 58% меньше, чем у молотковых дробилок при сопоставимом помоле [20].

В процессе пробных испытаний лабораторного образца конусной инерционной дробилки конструкции ПензГТУ и ООО «ФОРМАДЕЛ» подтвердилась величина энергозатрат 4,6 кВт∙ч/т. Для снижения энергоемкости измельчения зерна, повышения производительности устройства и качества продукта требуется провести дополнительные интерполяционные и оптимизационные исследования по обоснованию оптимальных значений частоты вращения конического ротора и зазора между рабочими органами.

Заключение. Проведенный анализ дробилок зерна по величине энергозатрат позволил выявить перспективность измельчителей скалывающего принципа действия по сравнению с молотковыми и бильными дробилками, работающими по принципу удара.

Дробилки скалывающего типа подразделяются: на центробежно-роторные дробилки с пальцевыми (штифтовыми) рабочими органами; вальцовый постав с рифлями; конусные инерционные дробилки с зубчатыми конусами по типу вальцового постава с внутренним контактом зубчато-рифлевых вальцов. Среди указанных видов измельчителей, в силу возможности самоочистки, наиболее перспективными являются конусные инерционные дробилки с зубчатыми конусами.

Конструктивно-кинематические параметры лабораторной конусной инерционной дробилки требуют дополнительных экспериментальных исследований.

About the authors

Valery E. Chuikov

Penza State Technological University

Email: epnz@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-5172-1811

postgraduate student

Russian Federation, Penza

Vladimir V. Konovalov

Penza State Technological University

Author for correspondence.
Email: konovalov-penza@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5011-5354

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Penza

Marina V. Dontsova

Penza State Technological University

Email: dontmv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2915-0881

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Penza

Svetlana S. Petrova

Samara State Agrarian University

Email: svetychsa1368@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0243-8992

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

References

Supplementary files