Оптимизация конструктивно-технологических параметров дробилки зерна с ротором-вентилятором

УДК 631.363

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДРОБИЛКИ ЗЕРНА С РОТОРОМ-ВЕНТИЛЯТОРОМ

П.А. Савиных, С.Ю. Булатов, В.Н. Нечаев

Представлены результаты исследований по определению оптимальных конструктивно-технологических параметров дробилки с ротором-вентилятором при измельчении зерна.

Ключевые слова: молотковая дробилка, ротор, вентилятор.

Основным источником кормового белка являются зерновые и зернобобовые культуры, которые дают около 50% протеина [1]. Поэтому важное значение имеет подготовка их к скармливанию с целью максимального использования протеина животными. Из многочисленных способов самым распространенным и обязательным является измельчение. Питательные вещества активно усваиваются животными в измельченном виде, так как в измельченных кормах увеличивается активная поверхность частиц. Это способствует ускорению процесса пищеварения и усвояемости питательных веществ.

В настоящее время для измельчения фуражного зерна выпускается большое разнообразие молотковых дробилок с пневматической загрузкой и выгрузкой исходных компонентов комбикорма. Но как показывает практика, они имеют существенные недостатки: низкий КПД воздушного потока, низкая пропускная способность и невысокое качество получаемого продукта.

Задачей экспериментальных исследований являлось изучение различных факторов, влияющих на процесс измельчения зерна, определение оптимальных конструктивно-технологических параметров дробилки с ротором-вентилятором, а также получение информации о работе дробилки в реальных условиях эксплуатации. Для изучения процесса измельчения зерна изготовлена лабораторная установка, состоящая из дозатора, зерноприемника, двух материало-проводов, дробилки и осадителя (рис.1) [2].

Предварительные исследования показали, что в готовом продукте содержится значительное (превышающее нормы ГОСТ в 1,5 раза) количество целых зерен [2].

Для определения влияния конструктивных факторов на показатели работы дробилки реализован план Бокса-Бенкена для трех факторов. При этом факторы варьировались в следующих пределах: частота вращения ротора-вентилятора п: 3000 мин-1, 3500 мин-1 и 4000 мин-1; радиус закругления лопаток Ял: 40 мм, 45 мм и 50 мм; диаметр отверстий решета 3 мм, 4 мм и 5 мм.

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки

В ходе исследований оценивалось влияние изучаемых факторов на:

- удельные энергозатраты Э, кВтч/тед.ст.изм.;

- степень измельчения X;

- средний размер измельченных частиц dсp;

- качество получаемого продукта, характеризуемое процентным содержанием целых зерен ть пылевидной фракции т2 и остатком на сите с отверстиями диаметром 3 мм т3, % в готовом продукте.

По результатам поисковых экспериментов были найдены оптимальные значения подачи материала Р = 300 кг/ ч и диаметра кольца ротора Дк = 140 мм.

Исследования проводили на зерне ячменя сорта Эльф с эквивалентным диаметром 4,21 мм, влажностью 13-14%. Матрица плана и результаты эксперимента представлены в таблице.

После проведения опытов и обработки полученных результатов получены модели регрессии:

у1 = 1,83 + 0,79 • х1 + 0,17 • х2 + 0,96 • х3 +1,25 • х? -1,22 • х1 • х2 + 0,68 • х1 • х3 +

-2 , А 1 О „ „ ПП(1 ,,2 .

+ 0,3 • х22 + 0,12 • х2 • х3 - 0,09 • х32,

у2 = 3,05 + 0,46 • х1 + 0,0025 • х2 - 0,311 • х3 + 0,103 • х? - 0,057 • х1 • х2 + 0,3 • х1 • х3 -

- 0,405 • х22 - 0,0625 • х2 • х3 - 0,0875 • х32;

у3 = 1,39 + 0,023 • х1 + 0,0975 • х2 + 0,41 • х3 + 0,038• х2 - 0,09• х1 • х2 + 0,14• х1 • х3 -

- 0,07 • х22 + 0,10 • х2 • х3 + 0,409 • х32;

у4 = 0,186 - 0,15 • х1 - 0,004 • х2 + 0,27 • х3 + 0,019 • х2 - 0,02 • х1 • х2 + 0,083 • х1 • х3 +

+ 0,096 • х22 - 0,007 • х2 • х3 + 0,159 • х32; у5 = 0,53 + 0,403 • х1 - 0,05 • х2 - 0,27 • х3 + 0,36 • х12 - 0,13 • х1 • х2 - 0,148 • х1 • х3 +

+ 0,29 • х22 - 0,208 • х2 • х3 - 0,026 • х32; у6 = 4,64 - 3,746 • х1 + 2,236 • х2 + 7,848 • х3 - 0,1 • х2 -1,04 • х1 • х2 - 4,128 • х1 • х3 + + 2,425 • х22 + 4,128 • х2 • х3 + 6,37 • х32.

Таблица. Матрица плана Бокса-Бенкена и результаты эксперимента

№ п/п с Факторы Критерии оптимизации

п, мин-1 Ял, мм мм Э кВт • ч X ёср, мм даь % ш2, % т3, %

т • ед.ст.изм.

х1 х2 хэ у1 ~У 2 у3 У4 ~У 5 у6

Уровни варьи рования

Нижний -1 Основной 0 Верхний +1 3000 3500 4000 40 45 50 3 4 5

1 0 0 0 1,83 3,05 1,392 0,186 0,53 4,64

2 -1 -1 0 1,47 2,18 1,207 0,433 0,69 7,7

3 1 -1 0 5,78 2,83 1,496 0,161 1,4 5,81

4 -1 1 0 3,42 2,78 1,407 0,483 1,09 10,2

5 1 1 0 2,86 3,2 1,324 0,13 1,27 4,15

6 -1 0 -1 1,69 2,9 1,467 0,202 0,43 5,76

7 1 0 -1 1,61 3,62 1,171 0,083 1,89 3

8 0 0 1,83 3,05 1,392 0,186 0,53 4,64

9 -1 0 1 2,99 1,91 2,222 0,812 0,14 27,08

10 1 0 1 5,64 3,83 2,496 0,361 1,01 7,81

11 0 -1 -1 1 3,16 1,341 0,123 0,93 4,14

12 0 1 -1 1,92 2,81 1,51 0,112 1,01 4,41

13 0 -1 1 1,91 2,43 1,743 0,783 0,85 14,21

14 0 1 1 3,32 1,83 2,326 0,744 0,1 30,99

15 0 0 0 1,83 3,05 1,392 0,186 0,53 4,64

После исключения незначимых коэффициентов модели регрессии имеют

следующий вид:

у = 1,94 + 0,79 • х + 0,96 • х3 +1,24 • х2 -1,22 • х1 • х2;

у2 = 3,058 + 0,463 • х1 - 0,311 • х3 + 0,3 • х1 • х3 - 0,406 • х22;

у3 = 1,37 + 0,097 • х2 + 0,41 • х3 + 0,14 • х1 • х3 + 0,41 • х32;

у4 = 0,198-0,149• х1 + 0,27• х3 -0,083• х1 • х3 + 0,094• х22 + 0,157• х32;

у5 = 0,51 + 0,40 • х1 - 0,27 • х3 + 0,365 • х? + 0,221 • х22;

у6 = 4,578-3,74• х1 + 7,84• х3 -4,13 • х1 • х3 + 4,13х2 • х3 + 6,38• х32. (12) Анализируя полученные модели, можно заключить:

1. Удельные энергозатраты снижаются при уменьшении частоты вращения ротора-вентилятора (Ь1 = 0,79, Ь11= 1,24), а также при увеличении парных взаимодействий факторов (Ь12 = - 1,22).

2. На степень измельчения в значительной степени оказывает влияние частота вращения ротора-вентилятора (Ь1= 0,463) и радиус закругления лопаток (Ь2= 0,406).

3. Величина среднего размера измельченных частиц зависит в большей степени от диаметра отверстий решета (Ь3= 0,41, Ь33= 0,41).

4. Количество целых зерен в готовом продукте снижается с уменьшением диаметра отверстий решета и с возрастанием частоты вращения ротора-вентилятора.

5. С уменьшением частоты вращения ротора-вентилятора (Ь1 = 0,4, Ь11 = 0,365) и с увеличением диаметра отверстий решета (Ь3= - 0,27) содержание пылевидной фракции уменьшается.

6. Содержание остатка на сите 0 3 мм снижается при уменьшении диаметра отверстий решета (Ь3= 7,84, Ь33 = 6,38), радиуса закругления лопаток и диаметра отверстий решета (Ь23= 4,13).

Оптимизацию параметров проводили, анализируя поверхности отклика и решая компромиссную задачу по получению готового продукта, удовлетворяющего зоотехническим требованиям (содержанию в готовом продукте остатка на сите 0 3 мм и целых зерен) и минимальных энергозатрат на единицу степени измельчения.

Анализ сечений поверхностей откликов позволил сделать вывод, что оптимальный радиус закругления лопаток для всех критериев оптимизации составляет Ял = 45 мм, поэтому далее следует определить оптимальные значения критериев оптимизации при сочетании следующих факторов: диаметра отверстий решета dp и частоты вращения ротора-вентилятора п при фиксированном значении радиуса закругления лопаток.

По двумерному сечению видно, что наименьшие удельные энергозатраты достигаются при диаметре решета 3 мм и частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин-1 и составляют 1,3 кВт ч/т ед.ст.изм. (рис. 2а). Анализ (рис. 2б, в) показывает, что изменение частоты вращения ротора-вентилятора п с 3000 до 4000 мин-1 и диаметра отверстий решета dp с 3 до 5 мм приводит к возрастанию степени измельчения X с 1,9 до 3,52, т.е. на 85,3%, а средний размер измельченных частиц dсp увеличивается на 87,5%. При частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин-1 и установке решета с диаметром отверстий 3 мм (рис. 2г, д, е) получаем количество целых зерен в готовом продукте, близкое к 0,2%, и остаток на сите 0 3 мм менее 5%, количество пыли при этом до 0,54%, то есть качество готового продукта, удовлетворяющее зоотехническим требованиям для всех групп сельскохозяйственных животных.

Устанавливая решето с диаметром отверстий 4 мм при частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин-1, получаем остаток на сите 0 3 мм порядка 9%, количество целых зерен 0,4% и содержание пылевидной фракции 0,45%, то есть качество готового продукта, удовлетворяющее зоотехническим требованиям для всех групп сельскохозяйственных животных, кроме телят в возрасте до 6 мес., поросят-отъемышей, ягнят в возрасте до 4 мес., цыплят и молодняка кур в возрасте до 90 дней, бройлеров, утят и гусят в возрасте до 20 дней, индюшат в возрасте до 60 дней. При этом удельные энергозатраты на единицу степени измельчения возрастут с 1,3 до 2 кВт ч/т ед.ст.изм. (рис. 2а).

При применении решета с диаметром отверстий 5 мм и неизменной частоте вращения ротора-вентилятора количество целых зерен достигает 0,9%, остаток на сите 0 3 мм 27% и количество пылевидной фракции 0,2%. Данный режим можно рекомендовать для некоторых групп с.-х. птицы: молодняка кур и утят в возрасте до 150 дней, кур-несушек и взрослых уток, индюшат в возрасте до 180 дней и взрослых индеек. При этом удельные энергозатраты на единицу степени измельчения составляют 2,2 кВтч/тед.ст.изм. Таким образом, установку решета с разными диаметрами отверстий (3, 4, 5 мм) можно рекомендовать как способ регулирования качества готового продукта для некоторых групп животных, для которых остаток на сите 0 3 мм и количество целых зерен не превышают допустимых пределов по зоотехническим требованиям. Для удовлетворения потребностей в готовом продукте всех остальных групп животных рекомендуется применять решето с диаметром отверстий 3 мм.

5,3 4,3 у1 3,3 2,3 1,3

У22,8

2,5 2,2 1,9

х1 0,6 О,2"?,2

а)

2,4 2,2 у3 2

в)

б)

0,39 0,19

О

г)

у5

0,6 0 2 х3 0,2 -0,2

-0,2 Х12

д)

уб

х3

1

',6 0,2 1 0,2 х1 0,6

е)

Рис. 2. Поверхности отклика и двумерные сечения, характеризующие влияние частоты вращения ротора-вентилятора (хх) п, мин-1 и диаметра отверстий решета (х3) йр, мм при х2 = 0 на: а - удельные энергозатраты (ух) Э, кВт^ч/(т.ед.ст.изм.); б - степень измельчения (у2) X; в - средний размер измельченных частиц (у3) йср; г - количество целых зерен в готовом продукте (у4) тх, %; д - содержание пылевидной фракции (у5) т2, %; е - содержание остатка на сите 0 3 мм (у6) т3, %

Изменением частоты вращения ротора-вентилятора также можно регулировать качество готового продукта. При диаметре решета 3 мм и увеличении частоты вращения ротора-вентилятора до 4000 мин-1 количество целых зерен близко к нулю, остаток на сите 0 3 мм менее 5%, удельные энергозатраты на единицу степени измельчения увеличиваются с 1,3 до 1,8 кВтч/тед.ст.изм., т. е. на 38,5%. Но содержание пылевидной фракции резко возрастает с 0,54 до 1,5%, т. е. происходит переизмельчение материала (в 3-4 раза меньше, чем у аналогичных дробилок с пневматической подачей материала [3]). Большая концентрация пыли в готовом продукте, как известно, может привести к снижению продуктивности и вызвать легочные заболевания некоторых групп с.-х. животных. Следовательно, работать при таких настроечных параметрах нецелесообразно.

Совместное повышение частоты вращения ротора-вентилятора и увеличение диаметра отверстий решета не дает требуемого качества готового продукта, лишь происходит увеличение удельных энергозатрат на единицу степени измельчения до 5 кВтч/тед.ст.изм. Таким образом, оптимальными показателями дробилки зерна с ротором-вентилятором являются: удельные энергозатраты 1,3 кВтч/тед.ст.изм., количество целых зерен до 0,2%, остаток на сите не превышает 5%, содержание пылевидной фракции не более 0,54% при диаметре отверстий решета 3 мм, частоте вращения ротора-вентилятора 3000 мин-1 и радиусе закругления лопатки 45 мм.

Литература:

1. Сысуев В.А., Алешкин А.В., Савиных П.А. Кормоприготовительные машины. Теория, разработка, эксперимент. В 2 т. Т.1. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2008. 640 с.

2. Савиных П.А., Булатов С.Ю., Нечаев В.Н. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки зерна с ротором-вентилятором // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2013. №1.

3. Баранов Р.Н., Фуфачев В.С., Сергеев А.Г. Исследование рабочего процесса модернизированной дробилки фуражного зерна ДКР-3 // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики / Вятская ГСХА. 2006. Вып. 6, ч. 3. С. 162-166.

Савиных Петр Алексеевич, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией

Булатов Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент

ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии

Тел. 8(8332)-33-10-23

E-mail: peter.savinyh@mail.ru

Нечаев Владимир Николаевич, преподаватель

ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно-экономический институт Тел. 8-903-040-4001 E-mail: nechaev-v@list.ru

The results of researches on detestation of optimum constructive and technological parameters of grinder with a rotor fan grinding of grain are presented. Keywords: rusher with hammers, a rotor, the fan.