Обоснование перспективной функциональной схемы дробилки зерна

Полный текст

Животноводство требует обеспечения животных качественными кормами в надлежащем количестве. При этом источником энергии являются концентрированные корма на основе зерна сельскохозяйственных культур. Для эффективного его использования зерновки подлежат измельчению и используются в пропорции по видам культур и добавок для обеспечения баланса питательных веществ [1, 2]. В зависимости от вида и возраста животных наиболее эффективный размер частиц дерти изменяется [3-5]. Регламентируется НТП-АПК 1.10.16.001-02 помол зерна менее 1 мм. Для свиней размер частиц эффективен от 0,6 до 1 мм. При этом размер частиц не должен быть менее 0,5 мм, так как пылевидные частицы забивают дыхательный и пищеварительный тракты, приводя к заболеваниям животным. Доля пылевидных частиц не должна превышать 20%. Пылевые частицы способствуют потерям корма и взрывоопасны [1, 6].

Попадание посторонних предметов к рабочим органам дробилок вызывает их поломку, ускоренный износ рабочих поверхностей, ухудшает качество продукта [7-9]. При этом эффективность измельчения зерна и применения дробилок разного типа различна [10-15]. Среди направлений развития дробилок следует отметить дробилки ударного действия (молотковые [15-18] и бильные [19, 20]), раздавливающего (гладкие вальцовые [20]) и скалывающего действия (центробежно-роторные с штифтовыми рабочими органами [21, 22], безинерционные с зубчатыми конусами [7, 9, 23]).

Анализ конструкций дробилок зерна [23-28] показал, что независимо от конструктивного решения и способа измельчения зерна рабочий процесс дробления зерна включает в себя ряд операций. К их числу относятся: очистка от посторонний тел, накопление зерна, дозированная подача зерна, измельчение, отвод готового продукта. При этом перечень, порядок и количество однотипных операций в различных конструкциях дробилок различается.

Цель исследований - разработка перспективной функциональной схемы рабочего процесса дробилки зерна и ее конструктивной схемы.

Задачи исследований – провести аналитический обзор конструкций зерновых дробилок; выявить перечень и очередность операций их рабочих процессов; разработать функциональные схемы вариантов существующих дробилок и обосновать перспективный вариант функциональной схемы дробилки зерна, а на основе ее – перспективную общую конструктивную схему дробилки.

Методика и результаты исследований. Методика исследований предусматривает аналитическое обоснование рациональной последовательности операций рабочего процесса дробилки.

Анализ последовательности операций рабочих процессов существующих дробилок зерна [1, 20-25] позволил выявить различия технологических процессов у разных типов измельчителей и дробилок. Следует выделить два общих блока операций, характерных для дробилок зерна (рис.1): I – блок подготовительных операций по очистке и дозированной подаче зерна; II – блок основных операций по измельчению и сегрегации частиц зерновок. Рассмотрим детально перечень операций данных блоков.

 

Рис. 1. Общая функциональная схема дробилок зерна: I – блок подготовительных операций по очистке и дозированной подаче зерна; II – блок основных операций по измельчению и сегрегации частиц зерновок; f₁, f₂, f₃ – качественные, количественные и энергетические характеристики зерна, поступающего на измельчение; Х_1..5 – внутренние характеристики элементов конструкции дробилки, реализующие подготовительные операции; Y_1,5, Y_2,5, Y_3,5 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели зерна и его потока, поступающего на дробление; Y_1,7, Y_2,7, Y_3,7 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели дерти зерна и ее потока, выходящего из дробилки как приготовленный продукт данным устройством

 

Анализируя очередность операций рабочего процесса первого блока (рис.2) на основе разнообразия конструкций дробилок, видим, что очистка зерна может производиться как до питателя (включающего в себя функции накопления и дозирования) зерна (рис.2.b), так и после него (рис.2.c). У некоторых конструкций дробилок система очистки может отсутствовать (рис.2.а). Чаще данная особенность наблюдается у стоящих отдельно конструктивно упрощенных измельчителей с ручной загрузкой, либо дробилок, являющихся частью технологической линии (используется предварительно уже очищенное зерно). При измельчении зерна в условиях хозяйств встроенная система очистки зерна предотвращает поломку дробилки.

Распространен вариант разнесенной очистки, когда сеткой отделяются крупногабаритные включения при загрузке накопительного бункера, а магнитом – металлические частицы после дозатора (рис. 2.d) [1]. Данный вариант наиболее приемлем, т.к. сетчатая очистка на «пропуск» позволяет удалить камни и нити, а тонкий слой зерна на поверхности магнита облегчает сбор металлических загрязнений. При этом производительность сетчатой очистки должна быть согласована с производительностью системы загрузки дробилки зерном, имеющей высокую подачу чем у дробилки. Дозатор должен обеспечивать загрузку измельчающего устройства на всех видах культур, зерно которых подлежит измельчению. Производительность магнитного сепаратора увязывается с максимальной производительностью питающего дозатора у измельчительного устройства. У конусных измельчителей зона загрузки представляет собой кольцо, поэтому конструктивно надлежит обеспечить подвод зерна по всей площади загрузочного отверстия зоны измельчения.

 

Рис. 2. Функциональная схема блока подготовительных операций по очистке и дозированной подаче зерна у дробилок зерна: Х₁… Х₅ – внутренние характеристики элементов конструкции дробилки, реализующие подготовительные операции; Z – устройство загрузки зерна; O – устройство очистки зерна; N – устройство накопления зерна (бункер); D – устройство дозированной подачи зерна; Y_1,1, Y_2,1, Y_3,1 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели зерна и его потока, поступающего после устройства загрузки (1); Y_1,2, Y_2,2, Y_3,2; Y_1,5, Y_2,5, Y_3,5 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели зерна и его потока, поступающего после первичной (2) и окончательной очистки (5) в блок основных операций для дробления; Y_1,3, Y_2,3, Y_3,3; Y_1,4, Y_2,4, Y_3,4 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели дерти зерна и ее потока, выходящего из бункера (3) и дозатора (4) дробилки

 

Анализируя очередность операций рабочего процесса второго блока (рис. 3) на основе разнообразия конструкций дробилок [20-25], видим, что в процессе измельчения зерновок, получаемые частицы могут, как сразу направляться на выгрузку (рис.3.а), так и дополнительно разделяться на фракции [20, 21]. При этом конструкции дробилок реализуют различные варианты сочетания измельчения и сегрегации (когда мелкие частицы направляются на выгрузку /отводятся/, а крупные частицы – поступают на повторное измельчение).

Молотковые дробилки с решетами в дробильной камере [19] обеспечивают одновременное измельчение зерновок и сегрегацию частиц дерти (рис.3.b).

Молотковые безрешетные дробилки (типа ДБ-5) [29-31] обеспечивают как измельчение продукта, так и воздушную сепарацию / отвод мелкой фракции на выгрузку, и повторное измельчение крупной фракции частиц дерти (рис.3.с).

Вальцовые измельчители (двухступенчатые плющилки) [20] как измельчают начальные частицы, так и одновременно их сегрегируют. Мелкие частицы проходят через межвальцовый зазор, а крупные тормозятся до раздавливания крупных частиц, и лишь затем проходят. На второй паре вальцов процесс повторяется (рис. 3.d). Вальцовые рифленые поставы производят скалывание частиц с зерновок, обеспечивая торможение зерновок и проход скола на одной паре вальцов.

Конусные безинерционные дробилки [7, 9, 23] позволяют начально мелкоизмельченным частицам проходить вдоль сужающегося межконусного канала для повторного измельчения на последующем участке канала с меньшим зазором (с последующим повторением процесса (рис.3.d)), а крупные – повторно измельчаются на той же стадии измельчения. В данном случае количество стадий измельчения зависит от размера измельчаемых частиц. Измельчение является аналогом вальцовых рифленых поставов.

Тем самым, в схемах безрешетных молотковых дробилок (рис. 3.с) и конусных безинерционных дробилок (рис. 3.d) реализуется ступенчатое измельчение продукта. Этим достигается предотвращение переизмельчения частиц зерна и снижение неэффективных энергозатрат при дроблении. Использование скалывания частиц от исходных зерновок позволяет дополнительно снизить энергозатраты ввиду отсутствия многократного разгона-торможения зерновок.

 

Рис. 3. Функциональная схема блока основных операций по измельчению и сегрегации частиц зерновок у дробилок зерна: Х_6,7 – внутренние характеристики элементов конструкции дробилки, реализующие основные операции; M – устройство измельчения зерна; S – устройство сегрегации частиц зерновок; Y_1,6, Y_2,6, Y_3,6 – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели частиц дерти и ее потока, поступающего после устройства измельчения (6); Y_1,7, Y_2,7, Y_3,7; – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели частиц дерти и ее потока, поступающего после сегрегации (разделения по крупности) частиц дерти (7); Y_{1,5`</sub>, Y<sub>2,5`}, Y<sub>3,5`</sub> – качественные, количественные и энергетические характеристики и показатели частиц дерти зерна и ее потока, направляемого на повторное измельчение (5`) в дробилке

 

В результате проведенный анализ позволил выявить перспективную функциональная схему дробилок зерна (рис.4). На основе ее предлагается перспективная общая конструктивная схема конусной дробилки зерна (рис. 5).

 

Рис. 4. Общая функциональная схема перспективных дробилок зерна

 

Рис. 5. Общая перспективная конструктивная схема конусных дробилок зерна: 1 – загрузочный участок; 2 – участок предварительной очистки; 3 – участок накопления зерна; 4 – участок дозирования; 5 – участок окончательной очистки; 6 – участок распределения зерна; 7 – участок измельчения зерна; 8 – участок выгрузки готового продукта

 

Подаваемый загрузным устройством на загрузочном участке 1 зерновой материал проходит при падении участок предварительной очистки 2 в виде сетки, на которой отделяются частицы со существенно более крупными габаритами, чем зерновки. Предварительно очищенное зерно поступает в бункер участка накопления 3. Из бункера дозирующим устройством зерно тонким слоем поступает на участок окончательной очистки 5 для магнитного удаления металлических примесей и далее на участок распределения 6 к кольцевому входу конического участка измельчения. В результате многократного скалывания частиц от зерновки образуется дерть, способная пройти между рабочими органами участка измельчения 7 в зону участка выгрузки готового продукта 8. Если указанные основные рабочие органы позволяют реализовать очередность операций рабочего процесса, то особенности конструктивного исполнения рабочих органов на участках требуют соблюдения их потребных настроек и регулировок, соответствующих применяемому технологическому процессу.

Заключение. Общая перспективная конструктивная и функциональная схема дробилок зерна предусматривает наличия участков (зон): загрузки дробилки, предварительной (сетчатой) очистки; накопления зерна, его дозирования, окончательной очистки, распределения по сечению загрузной горловины измельчителя (при необходимости), измельчения зерна и выгрузки готового продукта.

Для отдельно стоящих дробилок зерна предпочтителен вариант разнесенной очистки зерна, когда сеткой отделяются крупногабаритные включения при загрузке накопительного бункера, а магнитом – металлические частицы после дозатора. Данный вариант наиболее приемлем, т.к. сетчатая очистка на «пропуск» позволяет удалить камни и нити, а тонкий слой зерна на поверхности магнита облегчает сбор металлических загрязнений. При этом производительность сетчатой очистки должна быть согласована с производительностью системы загрузки дробилки зерном, имеющей более высокую подачу чем у дробилки. Дозатор должен обеспечивать загрузку измельчающего устройства дробилки на всех видах культур, зерно которых подлежит измельчению. Производительность магнитного сепаратора увязывается с максимальной производительностью питающего дозатора у измельчительного устройства. У конусных измельчителей зона загрузки представляет собой кольцо, поэтому конструктивно надлежит обеспечить подвод зерна по всей площади загрузного отверстия зоны измельчения.

Наиболее эффективно ступенчатое измельчение продукта, реализуемое в схемах безрешетных молотковых дробилок и конусных безинерционных дробилках. Этим достигается предотвращение переизмельчения частиц зерна и снижение неэффективных энергозатрат при дроблении. Использование скалывания частиц от исходных зерновок позволяет дополнительно снизить энергозатраты ввиду отсутствия многократного разгона-торможения зерновок.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors' contribution: all authors have made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The authors declare that there is no conflict of interest.

Об авторах

Валерий Евгеньевич Чуйков

Пензенский государственный технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: epnz@yandex.ru

аспирант

Россия, Пенза

Владимир Викторович Коновалов

Пензенский государственный технологический университет

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

доктор технических наук, профессор

Россия, Пенза

Марина Владимировна Донцова

Пензенский государственный технологический университет

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

кандидат технических наук, доцент

Россия, Пенза

Светлана Станиславовна Петрова

Самарский государственный аграрный университет

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

кандидат технических наук, доцент

Россия, Усть-Кинельский, Самарская область

Список литературы

Дополнительные файлы