Russian Federation
Russian Federation
Penza, Penza, Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The aim of the research is to ensure the lowest energy consumption for a cutter with one crumbling roll and a shredder concave. The aim of reducing the energy for the crushing process is one of the dominating and important tasks in the technological cycle of agricultural crop production. The dependence of the productivity of the first crush-ing zone on the design and kinematic parameters with the selection of the optimal value of the gap between the crumbling roll and shredder concave with 1 mm. was studied. The dependence of the productivity, volume energy and crushing module for the second cutting zone was studied. The method of graphic processing of experimental data results has been developed. As a result of applying of proposed graphic-processing of experimental data the correlation between the module crushing performance of cutter and volume energy in the form of the response sur-face was obtained. Graphical analysis of the response surface obtained showed that with a decrease in the value of the crushing module, according to zoo-technical requirements, the optimal values of the productivity of the cutter with one crushing roll and a shredder concave and volume energy for crushing will move away from each other, thus featuring absolutely logical conclusion of the experimental data. The optimal combination of the productivity of the cutter with one crushing roll and a shredder concave, the volume energy consumed during crushing with the appropriate design and kinematic parameters corresponds to the grinding module of 2.6 mm. At the same time, the optimal performance value was 1658.7 kg/h, the volume energy was 1.017 kWh/kg with the design and kinematic parameters of the cutter: the gaps of 1 mm and 0.8-0.84 mm, the rotation frequency of the roller 150-197 rpm, the shredder concave eccentric drive 227-321 rpm. The search method for principle optimal parameters for the cutter developed taking into account production, volume energy and the product quality is applicable to evaluate any de-signs of modern crushing equipment.
chopper, grain, energy consumption, performance, parameters, clearance, amplitude
Проблема снижения энергоемкости процесса измельчения является одной из приоритетных решаемых задач в технологическом цикле производства сельскохозяйственной продукции.
Основная техническая проблема при измельчении зерна до определенных значений модуля помола М=0,2-1 мм (для тонкого помола) и М=1-1,8 мм (для среднего помола) заключается в применении многостадийного процесса измельчения с поэтапным использованием различных типов измельчителей, что ведет к повышению материало- и энергоемкости, а также повышению издержек производства. Дополнительной проблемой при применении стадийной схемы технологического процесса измельчения сырья является неоднородность гранулометрического состава при использовании в качестве промежуточных звеньев роторных и молотковых дробилок. В качестве технического решения указанных проблем может выступать применение одновальцово-дековых измельчителей, сочетающих в себе преимущества вальцовых и ударных измельчителей [3, 4, 5]. Для более подробного анализа эффективности работы одновальцово-дековых измельчителей следует провести исследование зависимости производительности и энергоемкости процесса измельчения зерна от конструктивных и кинематических параметров.
Цель исследований – обеспечить наименьшие энергозатараты одновальцово-декового измельчителя.
Задачи исследований – разработать методику проведения экспериментальных исследований по установлению зависимости производительности и энергозатрат одновальцово-декового измельчителя от его конструктивных и кинематических параметров; установить зависимость производительности и удельных энергозатарат одновальцово-декового измельчителя от его конструктивных и кинематических параметров.
Материалы и методы исследований. Объект исследования – технологический процесс измельчения зерновых материалов в одновальцово-дековом измельчителе. Предмет исследования – закономерности изменения производительности и удельных энергозатрат от конструктивных и кинематических параметров измельчителя. Одновальцово-дековый измельчитель зерна (рис. 1) представляет собой раму, установленную на фундаменте на регулировочных винтах 10. На раме крепится питающий бункер 4 и выгрузной лоток 8, а также привод рабочих органов.
Рис. 1. Принципиальная схема одновальцово-декового измельчителя:
1 – валец, 2 – дека, 3 – измельчаемый материал, 4 – питающий бункер, 5 – корпус деки, 6 – эксцентриковый вал
привода деки, 7 – опорные пружины, 8 – выгрузной лоток, 9, 10 – регулировочные винты
Основным рабочим органом является активно вращающийся валец 1. Поверхность вальца шероховатая, получаемая электродуговой наплавкой, с величиной неровностей до 0,5 мм. Вторым рабочим органом является вибрирующая дека. Корпус деки 5 установлен на опорных пружинах 7 и имеет эксцентриковый вал 6 привода деки с амплитудой колебаний 3 мм. Зерновка из питающего бункера 4 поступает в зону верхнего контакта вращающегося вальца 1 и корпуса вибрирующей деки 7. Происходит первичное измельчение зерновок. Некачественно измельченные зерновки повторно измельчаются в зоне бокового контакта 1 и корпуса вибрирующей деки 7, выгружаясь по выгрузному лотку 8. Рабочие параметры машины: ω1 – угловая скорость вращения валка и ω2 – угловая скорость вращения эксцентрикового вала, определяющие производительность измельчителя, регулировались при помощи частотно-регулируемых приводов электродвигателей; Δ1 и Δ2 – технологические зазоры, характеризующие качество измельчения, изменялись при помощи системы винтовых опор 9 деки. Амплитуда деки выбиралась из условия плосконапряженного состояния измельчаемого материала [3] и отсутствия беспрепятственного поступления зерновок в первую зону измельчения. Ввиду того, что средний эквивалентный диаметр зерновок составлял 4,2 мм, а наименьшее значение зазора Δ1 по зоотребованиям соответствует 0,8 мм, максимальное расстояние между декой и вальцом в верхнем положении равно 3,8<4,2 мм. При увеличении значений амплитуды происходит проскальзывание неизмельченного материала во вторую зону измельчения. Таким образом, для обеих зон измельчения существует свое значение производительности Q. При условии 
происходит плющение зерновок без забивания материала меж зон измельчения. При нарушении указанного условия данное пространство забивается материалом, и прекращается поступление зерновок на измельчение. Указанное условие повлияло на методику исследований: отдельными сериями экспериментов изучались обе зоны для последующей возможности соблюдения баланса расходов.
В качестве исследуемого при измельчении материала было использовано зерно яровой пшеницы урожая 2018 г. сорта «Селенга» влажностью 15,4%. При исследовании качественных показателей зерна пшеницы, физико-механических характеристик, геометрических размеров применялись методики в соответствии с действующими стандартами на зерно. Исследования проводились в соответствии с 3-факторным ортогональным планом с трехкратной повторностью. В качестве контрольных критериев исследуемого процесса были выбраны производительность Q и удельные энергозатраты процесса измельчения Э, в качестве независимых факторов выступали: n1 – частота вращения вальца, n2 – частота вращения эксцентрикового вала привода деки; зазор между вальцом и декой. Отдельно рассматривался зазор D1 между вальцом и декой в 1-й зоне измельчения, и отдельным планом – зазор D2 между вальцом и декой во 2-й зоне измельчения.
Вначале проводилось интерполяционное исследование 1-й зоны измельчения с целью поиска функции влияния на производительность Q зазора D1 и частот n1, n2 и установление их рациональных значений, т.к. наибольшее разрушающее воздействие происходит именно на первом этапе. При этом зазор D2 был увеличен до максимального размера, при котором не оказывается разрушающее воздействие во 2-й зоне на предварительно измельченный материал (табл. 1).
Таблица 1
Факторы и интервалы их варьирования при исследовании 1-й зоны измельчения
|
|
Нижний |
Основной |
Верхний |
Интервал |
Независимый фактор |
|
x1: |
0,8 |
1 |
1,2 |
0,2 |
D1, мм |
|
x2: |
100 |
150 |
200 |
50 |
n1, мин-1 |
|
x3: |
150 |
350 |
550 |
200 |
n2, мин-1 |
После определения рациональных значений фактора D1 проводилось исследование второй зоны измельчения при постоянном выбранном зазоре D1 на зависимость производительности и удельных энергозатрат от данных факторов (табл. 2).
Обработка результатов эксперимента производилась с помощью программного обеспечения PlanExp«B-D13» v.1.0.
Результаты исследований. По результатам обработки и анализа данных зависимости производительности первой зоны измельчения от ряда факторов (табл. 3) была получена целевая функция отклика Q=Y11(x1, x2, x3) (1) и установлено, что её экстремум находится в пределах варьирования переменных факторов (рис. 2).
Таблица 2
Факторы и интервалы их варьирования при исследовании 2-й зоны измельчения
|
|
Нижний |
Основной |
Верхний |
Интервал |
Независимый фактор и его размерность |
|
x1: |
0,6 |
0,8 |
1 |
0,2 |
D2, мм |
|
x2: |
100 |
150 |
200 |
50 |
n1, мин-1 |
|
x3: |
150 |
350 |
550 |
200 |
n2, мин-1 |
Таблица 3
План эксперимента и значения критерия оптимизации при определении оптимальной
производительности 1-й зоны измельчителя
|
Номер опыта (u) |
Матрица планирования |
Натуральные значения переменных |
Критерий оптимизации (Q=Y11(x1, x2, x3), кг/ч) |
||||||
|
x1 |
x2 |
x3 |
D1, мм |
n1, об/мин |
n2, об/мин |
Y11 (u, 1) |
Y11 (u, 2) |
Y11 (u, 3) |
|
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
0,8 |
100 |
150 |
55 |
53 |
61 |
|
2 |
+1 |
-1 |
-1 |
1,2 |
100 |
150 |
150 |
149 |
151 |
|
3 |
-1 |
+1 |
-1 |
0,8 |
200 |
150 |
430 |
500 |
502 |
|
4 |
-1 |
-1 |
+1 |
0,8 |
100 |
550 |
692 |
690 |
705 |
|
5 |
-1 |
0 |
0 |
0,8 |
159,5 |
388 |
910 |
900 |
1020 |
|
6 |
0 |
-1 |
0 |
1,038 |
100 |
388 |
2850 |
2290 |
2284 |
|
7 |
0 |
0 |
-1 |
1,038 |
159,5 |
150 |
592 |
580 |
600 |
|
8 |
0 |
+1 |
+1 |
0,942 |
200 |
550 |
3010 |
3020 |
2892 |
|
9 |
+1 |
0 |
+1 |
1,2 |
135,5 |
550 |
2004 |
2010 |
2000 |
|
10 |
+1 |
+1 |
0 |
1,2 |
200 |
292 |
1840 |
1830 |
1832 |
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 2. График зависимости производительности в первой зоне измельчения от частоты вращения вальца x2, частоты вращения эксцентрикового вала привода деки x3 при величине зазора x1=0 (1 мм) (а)
и двумерное сечение полученной поверхности (б)
Уравнение регрессии производительности измельчителя по первой зоне измельчения, кг/с:
(1)
Значение экстремума составляет Y11_opt=2238,84 кг/ч. Экстремуму функции отклика соответствуют значения факторов: x2= -0,333 (133,4 мин-1) и x3=0,63 (476 мин-1) при x1=0 (1 мм).
В качестве дополнительного критерия, оценивающего качественные характеристики измельченного материала, был выбран модуль помола М, мм.
При анализе зависимости производительности 2-й зоны от ряда факторов (табл. 4),
являющейся общей для всего измельчителя, выяснилось, что целевая функция зависимости Q=Y21(x1, x2, x3) имеет 3 экстремума (табл. 5), удельные энергозатраты имеют 1 экстремум, а модуль помола не имеет явных экстремумов.
Таблица 4
План эксперимента и значения критериев оптимизации при определении производительности
и энергозатрат 2-й зоны измельчителя
|
Номер |
Матрица планирования |
Критерий оптимизации (Q=Y21(x1, x2, x3), кг/ч) |
Критерий оптимизации (Э=Y22(x1, x2, x3), (Вт∙ч)/кг) |
Критерий оптимизации (М=Y23(x1, x2, x3), мм) |
||
|
x1 |
x2 |
x3 |
Y21 ср |
Y22 ср |
Y23 ср |
|
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
144 |
6,78 |
1,81 |
|
2 |
+1 |
-1 |
-1 |
145 |
6,56 |
2,9 |
|
3 |
-1 |
+1 |
-1 |
679 |
1,74 |
1,97 |
|
4 |
-1 |
-1 |
+1 |
565 |
1,93 |
0,52 |
|
5 |
-1 |
0 |
0 |
864,67 |
1,38 |
0,91 |
|
6 |
0 |
-1 |
0 |
281,75 |
3,87 |
1,45 |
|
7 |
0 |
0 |
-1 |
2239,87 |
1,92 |
2,44 |
|
8 |
0 |
+1 |
+1 |
2577,60 |
0,51 |
0,39 |
|
9 |
+1 |
0 |
+1 |
1483,53 |
0,77 |
1,32 |
|
10 |
+1 |
+1 |
0 |
1668,25 |
1,16 |
1,96 |
Таблица 5
Оптимальные значения критериев оптимизации и соответствующих факторов
при исследовании 2-й зоны измельчения
|
Q= Y21_opt(x1,x2,x3), кг/ч |
x1 (Δ2, мм) |
x2 (n1, мин-1) |
x3 (n2, мин-1) |
|
1851,902 |
0 (0,8) |
0,591 (179,55) |
-0,219 (306,2) |
|
1658,705 |
0,173 (0,835) |
0 (150) |
-0,144 (321,2) |
|
1957,333 |
0,337 (0,867) |
0,711 (185,55) |
0 (350) |
|
Э = Y22_opt(x1,x2,x3), (Вт∙ч)/кг |
x1 |
x2 |
x3 |
|
1,017 |
0 (0,8) |
0,948 (197,4) |
-0,614 (227,2) |
В результате обработки данных по второй зоне были получены уравнения зависимости производительностиY21=f(x1, x2, x3) (2), удельных энергозатрат Y22=f(x1, x2, x3) (3) и модуля помола Y23=f(x1, x2, x3) (4) от конструктивных и кинематических параметров измельчителя (x1, x2, x3). Коэффициенты корреляции расчетных и экспериментальных значений для приведенных функций равны соответственно: для 
– R11=0,988; для 
– R21=0,985; для 
– R22=0,992; для 
– R23 =0,971. Каждое из уравнений (1-4) прошло проверку по F-критерию Фишера и является адекватным.
Уравнение регрессии производительности измельчителя по второй зоне измельчения, кг/с:
(2)
Уравнение регрессии энергозатрат измельчения, Вт×ч/кг:
. (3)
Уравнение регрессии модуля помола зерна после второй зоны измельчения, мм:
(4)
Для поиска оптимального значения производительности (Q) и удельных энергозатрат (Э) при измельчении зерна во второй зоне, на основании данных (табл. 4) была построена поверхность отклика, показывающая корреляционную зависимость между модулем помола М и оставшимися двумя критериями оценки процесса (рис. 3). В результате графического анализа удалось установить, что при увеличении требуемого получаемого значения модуля помола согласно зоотехническим требованиям от 1 до 2,6 мм наблюдается сближение оптимальных значений производительности Q=1658,705 кг/ч и удельных энергозатрат процесса измельчения Э=1,017 (кВт×ч)/кг, при соблюдении баланса производительностей на этапах измельчения (рис. 4).
Рис. 3. График корреляционной зависимости модуля помола М от производительности Q
и удельных энергозатрат Э
|
|
|
|
|
a |
b |
c |
|
|
|
|
|
d |
e |
f |
Рис. 4. График влияния частот вращения вальца х2 и эксцентрикового вала привода деки х3
на производительность Q, кг/ч:
а – после первого зазора D1=1 мм, по формуле (1); b, c, d, e, f – после второго зазора D2, по формуле (2),
при зазорах D2, соответствующих х1= -1; -0,5; 0; +0,5; +1,соответственно;
при наложении значений производительности после первого зазора D1=1 мм
Для проверки соответствия производительностей измельчителя по ступеням измельчения произведено моделирование производительностей по выражениям (1) и (2). На рисунке 4, а представлена производительность после первого этапа измельчения по выражению (1) (серия экспериментов по таблице 1) на выходе из рекомендуемого зазора D1=1 мм. На последующих графиках рисунка 4 указанная производительность дана для контроля красными линиями. Так же даны производительности (серия экспериментов по таблице 2) по выражению (2) при зазорах D2, соответствующих х1= -1; -0,5; 0; +0,5; +1, соответственно. Рекомендуемая зона совпадает по производительности в обоих зазорах и выделена на рисунке 4, d зеленой штриховкой.
Заключение. В результате проведенных исследований процесса измельчения зерна в одновальцово-дековом измельчителе разработана методика, позволяющая оценить процесс получения дробленого материала с позиции удельного расхода энергии, производительности и модуля помола. На основании графического анализа зависимости значений установленных функций модуля помола от производительности и энергозарат обнаружены оптимальные значения конструкции измельчителя, при которых возможно одновременное сочетание высокой производительности, соответствующей Q=1658,7 кг/ч и низких удельных энергозатрат процесса измельчения
Э=1,017 (кВт×ч)/кг, что соответствует модулю помола зерна для крупного рогатого скота М=2,6 мм, при конструктивных и кинематических параметрах зазоров дробилки: D1=1 мм, D2=0,8-0,84 мм, при частоте вращения вальца n1=150-197 мин-1, и вала привода эксцентриковой деки n2=227-321 мин-1.
1. Konovalov, V. I. (2013). Obosnovaniie tekhnologicheskogo processa izmelicheniia I parametrov odnovalicovo-dekovogo izmelichitelia zerna [Justification of technological process of grinding and parameters of single-roller-deck grain shredder]. Candidate’s thesis. Ulan-Ude [in Russian].
2. Konovalov, V. I., & Baldanov, M. B. (2014). Analiz teoreticheskikh I eksperimentalinykh rezulitatov issledovanii odnovalicovo-dekovogo izmelichitelia zerna [Analysis of theoretical and experimental results of studies of single-roller-deck grain shredder]. Vestnik Buriatsko I gosudarstvennoi seliskokhoziaistvennoi akademiiim. V. R. Filippova - Bulletin Buryat State Academy of Agriculture named after V.R. Philippov, 4 (37), 68-73 [in Russian].
3. Konovalov, V. I., & Urhanov, N. A. (2012). Obosnovaniie parametrov valice dekovogo izmelichitelia zerna [Substantiation of the parameters of valledemosa grain refiner]. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta tekhnologii i upravleniia - Bulletin of the East Siberian state University of technology and management, 4 (39), 64-67 [in Russian].
4. Konovalov, V. I., Urhanov, N. A., & Baldanov, M. B. (2013). O nekotorykh osobennostiakh konstrukcii valicedekovogo izmelichitelia furazhnogo zerna [On some peculiarities of the structure aladekomo chopper fu-arbitration grain]. Vestnik Buriatskoi gosudarstvennoi seliskokhoziaistvennoi akademiiim. V. R. Filippova - Bulletin Buryat State Academy of Agriculture named after V.R. Philippov, 2 (31), 49-53 [in Russian].
5. Konovalov, V. I., Shagdyrov, I. B., Baldanov, M. B., & Pun’ko, A. I. (2014). Analiz processa izmelicheniia fura-zhnogo zerna v odnovalicovo-dekovom izmelichitele [Analysis of the process of grinding feed grain in a single-roller-deck mill]. Mechanization and electrification of agriculture '14: Mezhvedomstvennyi tematicheskii sbornik - Interdepartmental thematic collection : in 2 vol. (pp. 99-104). Minsk [in Russian].
6. Pun’ko, A. I., Ivanov, M. V., Vorobiev, N. A., & Drozd, S. A. (2016). Eksperimentalinoe issledovaniie valicovoi drobilk I zernofurazha DV-3 [Experimental study of a roller crusher of grain forage DV-3]. Mechanization and electri-fication of agriculture '16: Mezhvedomstvennyi tematicheskii sbornik - Interdepartmental thematic collection : in 2 vol. (pp. 27-31). Minsk [in Russian].
7. Shagdyrov, I. B., Matsukov, V. P., Konovalov, V. I., & Shagdyrov, A. I. (2016). Analiz ustroistv dlia izmelicheniia furazhnogo zerna [Analysis of devices for grinding of feed grain]. Scientific problems and technological aspects of modernization of agriculture and development of rural territories of the Baikal region '16: materially nauchno-prakticheskoi konferencii, posviashchennoi Dnyu rossiiskoi naukii 85-letiiu obrazovaniia FGBOU VO «Buriatskaia GSKHA imeni V. R. Filippova» - materials of scientific-practical conference devoted to the Russian science Day and the 85th anniversary of the formation of the «Buryat state agricultural Academy named after V. R. Filippov». (pp. 125-129). Ulan-Ude [in Russian].
