ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7125| Title: | Вдосконалення процесу подрібнення зерна та розробка подрібнювача кулькового |
| Authors: | Філімонова, Надія Вікторівна Бабченко, Ілля Володимирович |
| Keywords: | кульковий млин;конструктивно-режимниі параметри кулькового млина;робочі органи кулькового подрібнювача |
| Issue Date: | 17-Dec-2024 |
| Abstract: | Мета роботи - дослідження процесу подрібнення зерна і розробка конструкції нового кулькового подрібнювача та забезпечення його належної працездатності. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити задачі: - теоретично обґрунтуванти вибір кута нахилу кільця що розмелює; - здійснити розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача з врахуванням кута нахилу кільця що розмелює; - експериментально підтвердити правильність вибору раціонального кута нахилу розмелювального кільця; - дослідити вплив інших конструктивних та кінематичних параметрів кулькового подрібнювача на його робочі характеристики; - здійснити дослідну перевірку адекватності формули для визначення продуктивності подрібнювача; - оцінити ефективність процесу подрібнення в новому подрібнювачі; - визначити особливості конструкції притискного кільця подрібнювача. Об'єкт дослідження – процес подрібнення зернової сировини кульками. Предмет дослідження - продуктивність, енергозатратність, ефективність процесів і якість подрібнення. Методи дослідження: в кваліфікакційній роботі магістра використовувалися методи математичної статистики, планування та організації експерименту. Результати роботи та їх новизна: - запропоновано і реалізовано спосіб подрібнення зернових продуктів кульками з одночасним використанням деформації стиску та зсуву; - запропоновано математичні залежності для розрахунку продук-тивності нових кулькових подрібнювачів; Практичне значення результатів: знайдені раціональні параметри основних експлуатаційних вузлів нового подрібнювача. Актуальним є актуальним є впровадження найменш енергозатратних процесів на малогабаритному обладнанні, яке забезпечує новий спосіб здрібнення, що дозволяє розширити асортимент помелів і підвищити якість продуктів харчування на їх основі. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7125 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Бабченко.pdf Restricted Access | 2.42 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового
покоління
(повна назва кафедри)
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Дослідження процесу подрібнення зерна та
розробка подрібнювача кулькового»
Другий (магістерський)
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
мПВ33.133024.000 ПЗ
Виконав: здобувач вищої освіти
2 курсу, групи мПВ-33
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(освітня програма)
Ілля БАБЧЕНКО
(ім’я та прізвище)
Керівник Надія ФІЛІМОНОВА
(ім’я та прізвище)
Рецензент В’ячеслав КРАСНОКУТСЬКИЙ
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2024
2
РЕФЕРАТ
Обсяг роботи. Магістерська кваліфікаційна робота складається із вступу,
4 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 17
найменувань, додатків. Роботу викладено на 87 сторінках, містить 44 рисунок,
14 таблиць.
Мета роботи - дослідження процесу подрібнення зерна і розробка
конструкції нового кулькового подрібнювача та забезпечення його належної
працездатності.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити задачі:
- теоретично обґрунтуванти вибір кута нахилу кільця що розмелює;
- здійснити розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача з
врахуванням кута нахилу кільця що розмелює;
- експериментально підтвердити правильність вибору
раціонального кута нахилу розмелювального кільця;
- дослідити вплив інших конструктивних та кінематичних
параметрів кулькового подрібнювача на його робочі характеристики;
- здійснити дослідну перевірку адекватності формули для визначення
продуктивності подрібнювача;
- оцінити ефективність процесу подрібнення в новому подрібнювачі;
- визначити особливості конструкції притискного кільця
подрібнювача.
Об'єкт дослідження – процес подрібнення зернової сировини кульками.
Предмет дослідження - продуктивність, енергозатратність, ефективність
процесів і якість подрібнення.
Методи дослідження: в кваліфікакційній роботі магістра
використовувалися методи математичної статистики, планування та організації
експерименту.
Результати роботи та їх новизна:
3
- запропоновано і реалізовано спосіб подрібнення зернових
продуктів кульками з одночасним використанням деформації стиску та
зсуву;
- запропоновано математичні залежності для розрахунку продук-
тивності нових кулькових подрібнювачів;
Практичне значення результатів: знайдені раціональні параметри
основних експлуатаційних вузлів нового подрібнювача.
Актуальним є актуальним є впровадження найменш енергозатратних
процесів на малогабаритному обладнанні, яке забезпечує новий спосіб
здрібнення, що дозволяє розширити асортимент помелів і підвищити якість
продуктів харчування на їх основі.
Ключові слова: кульковий млин, робочі органи кулькового
подрібнювача, конструктивно-режимниі параметри кулькового млина.
4
ЗМІСТ
ВСТУП….……………………………………………………………………………6
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ РОЗВИТКУ
БОРОШНОМЕЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ…………...……….…………….……..8
1.1 Борошномельне обладнання в
зернопереробній промисловості.........................................................................8
1.2. Теоретичні основи процесу подрібнення матеріалів......................................10
1.3. Фактори, які впливають на ефективність подрібнення
зернових продуктів...................................................................................................12
1.3.1. Технологічні властивості зернових продуктів...............................................13
1.3.2. Вплив на здрібнення кінематичних і геометричних параметрів
робочих органів млинів.............................................................................................13
1.4 Вплив дисперсності зернових продуктів на якість хлібобулочних
і кондитерських виробів............................................................................................14
1.5. Характеристики перспективних конструктивних схем
борошномельних млинів ..........................................................................................16
1.6 Технологія переробки зернових продуктів з використанням
кулькових подрібнювачів та її ефективність ..24
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ……………………..……26
2.1. Характеристика об’єктів і напрямки досліджень............................................26
2.2. Методики досліджень........................................................................................26
2.2.1. Методика експериментального дослідження процесу
подрібнення зернового продукту в кульковому подрібнювачі.............................26
2.2.2. Методика проведення вимірювань та визначення
технологічних властивостей зернових продуктів .................................................28
2.3. Планування та порядок проведення експериментів .............................….....29
2.4. Оброблення результатів експериментів та їх аналіз ......................................32
2.5. Математичні методи досліджень .....................................................................33
РОЗДІЛ 3. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РУХУ КУЛЬОК У
ПОДРІБНЮВАЧІ…………………………………………………………...……...35
5
3.1. Теоретичне обґрунтування вибору раціонального кута нахилу
розмелювального кільця ..........................................................................................35
3.2 Розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача…………………..38
РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПОДРІБНЕННЯ ЗЕРНОВИХ
ПРОДУКТІВ В КУЛЬКОВОМУ ПОДРІБНЮВАЧІ………………..……………41
4.1. Експериментальне підтвердження правильності вибору
раціонального кута нахилу розмелювального кільця........................................41
4.2. Дослідження впливу інших конструктивних та кінематичних
параметрів кулькового подрібнювача на його робочі характеристики...........44
4.2.1. Вибір раціональної частоти обертання привідного вала подрібнювача...46
4.2.2. Експериментальне обґрунтування вибору кутів нахилу притискних
кілець подрібнювача............................................................................................49
4.2.3. Експериментальне обґрунтування вибору кількості рядів кульок
подрібнювача та відстані між ними ........................................................................56
4.3. Дослідна перевірка адекватності формули для визначення
продуктивності подрібнювача..............................................................................62
4.4 Розроблення моделі визначення раціональних конструктивних
параметрів кулькового подрібнювача.................................................................63
4.5. Оцінка ефективності процесу подрібнення в новому подрібнювачі............74
4.5.1. Енергоємність процесу подрібнення ............................................................74
4.5.2. Технологічні показники подрібнювача .......................................................78
4.6. Конструктивна характеристика дослідно-промислового зразка
кулькового подрібнювача...............................................................................79
4.7. Особливості конструкції притискного кільця подрібнювача...................82
ВИСНОВКИ .............................................................................................................85
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ...........................................................86
6
ВСТУП
Головні напрямки сучасного розвитку зернопереробної галузі України
передбачають забезпечення потреб населення у харчових продуктах
спеціального призначення, виготовлених з різноманітних зернових або
злакових культур. Сучасні великі підприємства з переробки зерна
характеризуються використанням традиційної сировини. Система переробки
зерна гальмує процес розвитку сировинних підприємств для виробництва
продуктів функціонального призначення, тобто обмежує можливості галузі
по задоволенню вимог суспільства до виробництва харчових продуктів з
різних видів зерна та насіння.
Актуальність теми. На сьогоднішній день актуальним для харчової та
переробної промисловості України є створення прогресивних технологій,
застосування яких дозволить здійснювати більш повну переробку рослинної
сировини, а також інтенсифікувати існуючі технологічні процеси і
розширить межі їх використання.
За умови збереження наявних переваг великих підприємств доцільна
ефективна децентралізація переробки зерна та насіння в продовольчі товари
шляхом створення розвиненої системи малих підприємств та цехів
фермерських господарств для виготовлення борошняних продуктів
безпосередньо в регіонах вирощування сировини, споживання готової
продукції. Для цього потрібно розширити функціональні можливості
існуючих подрібнювальних машин. Вирішення такої задачі суттєво
стримується відсутністю належного технологічного і технічного
забезпечення переробки в зернових в умовах малих підприємств.
Млини, які виробляються машинобудівними заводами, в основному,
розраховані на переробку зерна пшениці, жита, гречки тощо. При
використанні допоміжної сировини і збагачувальних добавок рослинного
походження у виробництві хлібобулочних та кондитерських виробів
необхідне їх подрібнення до заданої крупності. Перспективним є
7
використання такого обладнання, яке дозволяє скоротити тривалість
технологічного процесу, зменшити його енергоємність і підвищити ступінь
подрібнення. Для цього подрібнювальні машини повинні забезпечити
реалізацію процесів подрібнення зернових, які одночасно поєднують
пластичне деформування оболонок зерен і крихке деформування їхніх ядер,
що сприяє зменшенню енерговитрат при подрібненню.
Таким чином, актуальним є впровадження найменш енергозатратних
процесів на малогабаритному обладнанні, яке забезпечує новий спосіб
здрібнення, що дозволяє розширити асортимент помелів і підвищити якість
продуктів харчування на їх основі.
8
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ РОЗВИТКУ
БОРОШНОМЕЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ
1.1 Борошномельне обладнання в зернопереробній промисловості
На сьогодні переробна промисловість України характеризується
високим ступенем концентрації виробництва продуктів харчування з
сільськогосподарської сировини. Особливо високого рівня досягла
концентрація зернової сировини та використання підприємств-гігантів у
виробництві борошна. Інтенсивне виробництво харчових продуктів із зерна
характеризується ефективним використанням сировини для виробництва
продуктів харчування, економією енергоресурсів і скороченням ручної праці
на технологічних процесах, широким впровадженням сучасних технологій і
високопродуктивного обладнання, що гарантують високі виходи борошна і
круп та стабільні якісні показники кінцевої продукції, які в цілому
відповідають національним потребам і вимогам споживачів. та вимогам
споживачів [1]. До недоліків великих підприємств в умовах ринкової
економіки можна віднести наступні:
- значні витрати на закупівлю, розвантаження і транспортування
сировини в процесі розподілу і продажу споживачам;
- висока інерційність щодо виду та якості готової продукції і
нездатність швидко реагувати на зміни споживчого попиту або ринкової
потреби в обсягах виробництва [2].
Крім значних втрат зерна та готової продукції, інтенсивне виробництво
також пов'язане зі значним погіршенням якості при тривалому зберіганні,
особливо борошна. Це пов'язано з тим, що цільне зерно є біологічним
об'єктом, який, виходячи з природних умов вирощування, має високу
пристосованість до тривалого зберігання через специфіку своєї анатомічної
будови. Маючи захисну оболонку, зерна не потребують особливих умов
зберігання. Частинки борошна без захисних оболонок характеризуються
9
високою гідрофільністю і великою питомою поверхнею, активно поглинають
вологу, окислюються під впливом кисню повітря, схильні до появи
неприємних запахів, створюють сприятливе середовище для інтенсивного
розвитку бактерій, грибків, мікроорганізмів та інших шкідників, значно
знижують якість продукції і обмежують терміни зберігання. З цих причин
хлібобулочні вироби слід зберігати у вигляді зерна. Перед продажем
споживачам або використанням у виробництві продуктів харчування їх слід
негайно переробляти на борошно в невеликих кількостях [3]. Така переробка
серйозно ускладнюється відсутністю належної технічної підтримки та
технічного обладнання, особливо в зернопереробній промисловості.
Досвід системи переробки зерна допускає існування малих і великих
зернопереробних підприємств, що переробляють зернову сировину.
Відсутність ефективного обладнання для малих зернопереробних
підприємств в умовах розвитку українського ринку зумовила велику
зацікавленість виробників техніки в їх розробці та виробництві [4].
Способи подрібнення матеріалів є дроблення, розтирання, розбивання,
розколювання та різання. Ці види силової дії відбуваються одночасно в
процесі дроблення, але в залежності від конструкції дробарки, одному з цих
методів надається перевага перед іншим. У всіх наявних у продажу млинах
матеріал руйнується внаслідок механічної дії робочого органу або під
впливом частинок, що подрібнюються. Деякі новіші методи подрібнення
використовують ультразвук, електрогідравлічні ефекти, різницю температур
і лазерні технології. Однак вони ще не набули широкого застосування.
Під час впровадження технології подрібнення зерна на малих і середніх
підприємствах та фермах вибір методу подрібнення має першорядне
значення. При подрібненні зернових продуктів використовують бичові та
щіткові подрібнювачі вальцьові верстати, , ентолейтори та деташери 5.
10
1.2. Теоретичні засади процесу подрібнення сировини
Процес подрібнення зернових продуктів здійснюється під дією сил,
прикладених або статично, або імпульсно. Ці сили можуть діяти в
нормальному напрямку або по дотичній до поверхні частинок матеріалу, що
подрібнюється. Таким чином, матеріали можуть подрібнюватися шляхом
стиснення, зсуву, удару або стирання [6] (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Способи подрібнення матеріалів:
а) – стискування; б) – перетирання; в) –дроблення; г) – різання
Критерієм оцінки ефективності процесів подрібнення матеріалів є
енергія. Приблизно 50-60% всієї енергії, що споживається при обробці,
витрачається на процес подрібнення. Кількість енергії залежить від багатьох
факторів, таких як розмір, форма, взаємне розташування, міцність, крихкість
і однорідність сировини, вміст вологи, а також тип і стан робочої поверхні
машини. Тому можна лише в загальному вигляді встановити взаємозв'язок
між витратами енергії на подрібнення, властивостями матеріалу, що
подрібнюється, і результатами процесу.
11
Значний внесок в теорію шліфування внесли С.Є. Андрєєв, І. Брач, Ф.
Бонд, Б.Л. Кирпичов, Ф. Кік, В.Ю. Климович, Л.Б. Левенсон, А.Н. Марюта,
С.В. Мельников, П.А. Ребіндер П. Rittinger та ін. [7].
Процес розмелювання зернопродуктів відноситься до тонкого
подрібнення і може бути охарактеризований загальною роботою процесу
розмелювання. Проаналізувавши, порівнявши та застосувавши відомі
закономірності, П.А. Ребіндер запропонував формулу для визначення
енерговитрат при розмелі [9]. Виходячи з цього сумарна робота (за П.А.
Ребіндером) виражається формулою (1):
А = Ау.п. + Ан.п. + Ад.з., (1.1)
де Ау.п. – робота, яка витрачається на пружні та пластичні деформації
продукта;
Ан.п. – робота задля створення нової поверхні під час руйнування часток
зернопродуктів;
Ад.з – робота, що витрачається на деформацію та зношування робочих
органів машин, що подрібнюють.
Перша складова рівняння (1.1) описує пружні деформації, які
порядковуються закону Гука.
Об’ємна теорія подрібнення, яка запропонована В.Л. Кірпічовим і Д.
Кіком передбачає, що енергія витрачається для деформації матеріалу, яка
випереджає його руйнування, тобто на досягнення граничної деформації 81.
Потім матеріал руйнується без витрат енергії. Це означає, що робота
пропорційна зменшенню об’єму матеріалу перед його подрібненням. Робота,
затрачена на пружні і пластичні деформації, за законом Гука визначається
рівнянням:
2
p V
Aу.п. m , (1.2)
2E
12
де m – величина кількості циклів деформації частинок;
р – напруження критичне руйнівне;
V – об’єм матеріалу що подрібнюється;
Е – величина модуля пружності продукту.
Вплив на подрібнення мають структурно-технологічні властивості
сировини П.А. Ребіндер показав, що руйнування твердих тіл розпочинається
з утворення мікротріщин. Отже, питомі витрати роботи для створення нової
поверхні подрібненням виражають рівнянням:
Aн.п. = Fin, (1.3)
де - величина питомої поверхневої енергії;
F –приріст поверхні під час подрібнення;
in – величина ступіня подрібнення матеріалу.
Питомі трудовитрати залежать від величини дисперсності
подрібнюваного продукту, яка, в свою чергу, залежить від технічних вимог
до кінцевого продукту.
1.3 Фактори, що впливають на ефективність величини подрібнення
зернових продуктів
Помел зерна є основним процесом, за допомогою якого
встановлюються і змінюються фізико-технічні властивості борошна.
На ефективність помелу зерна впливають технічні характеристики
зернового продукту та умови перетворення і кінематичні та геометричні
параметри робочих органів борошномельної машини.
13
1.3.1 Технічні властивості зернових продуктів
Структурно-механічні властивості зернових продуктів: міцність,
твердість і пластичність мають найбільший вплив на розмел. До технічних
властивостей зернових продуктів також відносяться скловидність, вологість,
розмелювальна здатність і крупність.
Дослідження анатомічних, структурно-механічних властивостей
компонентів зерна показали, що межа міцності на розрив оболонки зерна
становить 24,2. .31,6 МПа, а ендосперму досягає 3 МПа [8].
Враховуючи велику різницю в міцності на розрив між ендоспермом і
оболонкою зерна, доцільно прикладати до зернової маси динамічні
навантаження, які викликають деформацію зсуву і зсуву і генерують дотичні
напруження разом з нормальними напруженнями.
Структурно-механічні властивості зерна сильно залежать від його
вологості. С. Д. Гусід встановив, що зі збільшенням вологості зерна
підвищується його опір руйнуванню та збільшуються питомі витрати енергії
на розмел, але зменшується мікротвердість частинок і вихід борошна [10]. Ці
технологічні зміни можна пояснити підвищенням пластичності зерна.
Зокрема, підвищена пластичність оболонки та її значний опір руйнівним
силам означає, що при подрібненні вологого зерна потрібно більше енергії,
ніж при подрібненні сухого зерна [10].
1.3.2. Вплив кінематичних та геометричних параметрів корпусу млина
на подрібнення
До параметрів кінематичних вальцьового млина відносять
співвідношення окружних швидкостей валків та їх розміри, а до
геометричних параметрів розміри валків та їх взаємне розташування та
характер обробки робочої поверхні.
14
Засновником теорії про вплив параметрів кінематичних рифлених
валків на ефективність шліфування є професор П. А. Козьмін [11].
І. А. Наумов досліджував вплив коефіцієнта периферійної швидкості
вальців К на результати подрібнення пшениці. Одержані дані показали, що
при збільшенні цього коефіцієнта з 1,5 до 3,5 вихід і зольність проміжних
продуктів значно зростали [11]. Аналогічних висновків дійшли
Г.І.Креймерман, М. Ю. Мур'ян, Л. Є. Айзикович [12].
Дослідження Л. О. Муга показують, що зі збільшенням співвідношення
периферійної швидкості котка забезпечується постійне співвідношення сил
зсуву і стискання в робочій зоні котка, що створює найбільш ефективні
умови деформаційно-зрізового (різального) впливу на зернові продукти [13].
С. Д. Гусід провів експерименти з дослідження впливу колової
швидкості на показники первинного дроблення зерна [14].
Структурні та механічні властивості зернових продуктів, такі як
міцність, твердість і пластичність, мають найбільший вплив на розмел.
Технічні властивості зернових продуктів також включають склоподібність,
вологість, подрібнюваність і розмір.
1.4 Вплив дисперсності зерна на якість хлібобулочних та
кондитерських виробів
Борошно являється основою для виробництва незліченної кількості
харчових продуктів. Споживання борошна дозволяє людині задовольнити
свої потреби в білках на 30-50%, а в інших біологічно важливих речовинах -
на 20-40% [13]. Якість хлібобулочних виробів значною мірою залежить від
стабільності хлібопекарських властивостей борошна.
Етап розвитку світового ринку зернових олійних культур залежить від
постійного зростання споживання рослинних олій - основного продукту їх
переробки. [12].
15
Для покращення харчування у світі для хлібопечення використовують
виробництво хлібопекарських багатокомпонентних сумішей на основі
борошна, житніх та вівсяних пластівців, мікродисперсних продуктів
переробки сої, льону та амаранту. Перспективним є також виробництво з
білкового борошняного шроту, білкових концентратів та білкових ізолятів з
вмістом білка в межах 40-50%, 70-75% та 85-90% відповідно [13].
Рекомендується додавати 2% білкових ізолятів до пшеничного борошна
та 5% до житнього борошна при виробництві великої кількості хліба [5].
Олійні культури визнані цінним джерелом рослинного білка та
ненасичених жирних кислот [6]. Продукти переробки льону досі
використовуються як панацея в народній медицині [5].
Сучасні хлібопекарні не мають достатнього вибору сировини. Вони
використовують наявну на ринку сировину, яка не завжди відповідає
нормативно-технічній документації. У зв'язку з цим постає питання про
використання рослинних добавок для покращення якості хлібобулочних та
кондитерських виробів [5]. До таких нетрадиційних добавок можна віднести
борошно, отримане з певних зернових культур, тобто насіння (або продуктів
його переробки), таких як амарант і льон [11]. Включення зерен льону в
щоденний раціон може забезпечити повноцінне харчування населення та
понизити ризик виникнення можливих хронічних захворювань [11]. Лляна
олія має високий вміст незамінних жирних кислот омега-3 (ліноленової
кислоти) та омега-6 (лінолевої кислоти), що робить її важливим компонентом
функціональних продуктів харчування.
Враховуючи, що половина частинок звичайного хлібопекарського
борошна вищого і першого ґатунків має розмір від 40 до 50 мікрон, а решта -
від 40-50 мікрон до 190-240 мікрон, розмір частинок необхідно
контролювати при додаванні харчових добавок. Перш за все, розмір частинок
має вплив на рівномірний розподіл по всій суміші, та на швидкість фізико-
хімічних та біохімічних процесів [5]. У випадку борошна розмір частинок
регулюється розміром крохмальних зерен. Чим менше пошкоджених
16
крохмальних зерен, тим кращі їхні структурно-механічні властивості. І
навпаки, для продуктів, отриманих з олійних культур, чим вище
водопоглинання, тим кращі структурно-механічні властивості [5].
1.5 Характеристика конструктивних схем борошномельних млинів
Найбільш поширеними млинами в борошномельній промисловості є,
дискові, вальцьові, жорнові та штирові млини [6].
Вальцьові млини (рис. 1.2) є на сьогоднішній день найпоширенішими
млинами завдяки своїй високій продуктивності. Для подрібнення зерна
використовують верстати вальцьові типів ЗМ, БВ і та А1-БЗН, які не мають
суттєвих відмінностей у конструкції.
Рисунок 1.2 - Схема вальцьового верстата
17
Вальцьові верстати ЗМ використовуються для механічного
транспортування продуктів подрібнення, БВ - для пневматичного
транспортування, а верстати А1-БЗН входять до складу комбінованого
агрегату і є найбільш досконалими [2]. Ці машини оснащені робочим
органом у вигляді паралельно розташованих циліндричних вальців 1 і 2, які
обертаються один навколо одного з різною швидкістю. Руйнування зерна та
його частинок відбувається під дією зсуву (зсуву) та стискаючої деформації
продукту в робочій зоні вальців [8].
Крім вальців, вальцьові верстати оснащені приводним механізмом 3,
міжвалковими передачами 4, механізмом регулювання міжвалкового зазору 5
і механізмом подачі продукту 6 [7].
Недоліком цих машин є низьке питоме навантаження на валки, що
призводить до збільшення габаритів дробарок. Це пов'язано з тим, що такі
дробарки є метало- та енергоємними і складними в обслуговуванні, оскільки
дроблення відбувається по прямій лінії вздовж вальців. Ці недоліки мають
певний вплив на темпи зростання виробництва таких подрібнювачів.
Використання вальцьових верстатів для помелу пшениці дозволяє
перетворити понад 90% ендосперму зерна на високоякісне борошно [7]. Цей
процес характеризується багатоетапністю, тривалістю та енергоємністю.
Використання такого типу техніки з низькою продуктивністю тягне за собою
значні капітальні та експлуатаційні витрати. Через велику тривалість
технічного процесу матеріал, що подрібнюється, піддається багаторазовому
впливу робочого органу, що викликає ущільнення і перетискання, що
призводить до погіршення хлібопекарських характеристик борошна [7].
При розмелюванні лляного або амарантового борошна у вальцьовому
верстаті неможливо досягти бажаної тонкої дисперсності помелу через
високий вміст жиру.
Як правило, вальцьові верстати використовуються на млинах малої
продуктивності. За кордоном, зокрема в Данії, для подрібнення борошна в
18
борошно широко використовують жорна. Відомо, що кам'яні млини мають
низьке енергоспоживання [8].
У жорновому посаді (рис. 1.3) зерно рухається від центру до периферії
під дією відцентрових сил. У проміжках між жорнами матеріал, що
подрібнюється, поступово подрібнюється, перетирається і деформується під
дією зсуву [9].
Рисунок 1.3 - Схема жорнового посада
Робочим органом посада є жорна складні. Нижнє жорно 1 - рухоме, а
верхнє 2 - нерухоме. Відносне положення нижнього та верхнього жорен
регулюється механізмом важільно-гвинтовим 3.
Механізм подачі складається з конічної воронки 4, яка закріплена на
диску жорна нерухомого 2 за допомогою стояка. Для рівномірного розподілу
зерна на верхньому кінці валу закріплена тарілка 5. Тарілка має два отвори 6
для видалення борошна з машини.
Серйозним технічним недоліком цього типу машин є те, що вони не
можуть виробляти дрібнодисперсні продукти. Іншим технічним недоліком є
19
необхідність регулярного ремонту зношених канавок і шорсткості каменю,
через що вони не набули широкого застосування [2].
Основною перевагою жорнових дробарок є те, що продукт
подрібнюється за один-два проходи, що спрощує технічну схему. Однією з
переваг над іншими млинами є те, що великі розміри і надглибокі канали
охолодження забезпечують вентиляцію шару борошна, що розмелюється,
роблячи його менш схильним до перегріву.
Принцип дії на продукт, що розмелюється, однаковий для млинів
дискового типу. Машина «Даверіо» Лебенінга (1880р.) була попередницею
дискових машин «Пат» і «Шнайдер Жан», які досі випускаються в
модернізованому вигляді машинобудівними заводами Італії, Англії,
Швейцарії та інших країн [3].
Дискова машина Даверіо мала два диски із загартованого чавуну з
канавками. Один диск був закріплений на стінці корпусу, а інший обертався.
Продукт кидали в центральний отвір нерухомого диска, де його
підхоплювали чотири лопаті, що оберталися разом з рухомим диском.
Дисковий подрібнювач фірми “Сангаті” (Італія), який об’єднав елементи
конструкції дискових машин (рис.1.4).
Рисунок 1.4 - Схема дискової машини
20
Складається з важільного механізму з корпусом 1, приймального
бункера 2, шнека 3, робочого колеса 4, нерухомого диска 5 і рухомого диска
6 та противаги 7. Ротор являє собою крильчатку, який складається з трьох
лопатей, розташованих по колу під кутом 120о. Він розташований між
рухомим і нерухомим дисками. Відстань між сторонами ротора та поверхнею
нерухомого диска становить 1 мм. [4]
Сировина подається в зону подрібнення між рухомим диском 6 і
нерухомим диском 5 за допомогою шнека подачі 3, встановленого
безпосередньо на валу подрібнювача. Продукт подрібнюється, потрапляючи
між лопатями крильчатки 4 і шорсткими поверхнями дисків. По мірі
накопичення подрібнений продукт тисне на поверхню рухомого диска,
змушуючи його рухатися, і виводиться через кільцеподібний жолоб [74].
Перевагами таких машин є те, що вони прості за конструкцією, легкі в
будівництві та обслуговуванні, технічно ефективні і можуть бути
використані для подрібнення зернових продуктів до дрібнодисперсного
складу кінцевого продукту [4]. Значним недоліком є нагрівання робочого
органу. Це нагрівання відбувається через недостатню вентиляцію між
рухомим і нерухомим дисками, як у кам'яних млинах, що призводить до
нагрівання продукту, що є небажаним для подрібнення льону та амаранту,
які містять велику кількість жиру. Тому дискові млини мають періодичну
дію і, незважаючи на високу технічну ефективність, не можуть бути
використані для безперервного виробництва.
Дробарки здійснюють процес дроблення шляхом ударної дії робочого
органу на матеріал, що подрібнюється, і можуть бути розділені на штифтові
(дезінтегратори), дробарки з захопленням і дробарки з подрібненням.
Найпоширенішими є дробарки з двома рухомими дисками та дробарки з
рухомим і нерухомим дисками.
Дезінтегратори (рис. 1.5) широко використовуються для тонкого
подрібнення сипучих продуктів. Вони використовуються, наприклад, в міні-
млинах для двоступеневого подрібнення зерна в лініях типу ЛМ-05У. 67 .
21
Зокрема, вони широко застосовуються для помелу борошна твердих сортів,
що використовується у виробництві макаронних виробів. Перевагою таких
ліній є менший знос робочого органу (пальців) при подрібненні твердих
сортів зерна. Принцип подрібнення в таких млинах заснований на поєднанні
удару і тертя під дією багаторазових зсувних зусиль.
Якість подрібнення в дробарках пальцевого типу не залежить від зносу
пальців.Сировина, що подрібнюється, подається через колектор який має
магнітний сепаратор в центр нерухомого диска. Під час роботи пальцева
дробарка створює повітряний потік, який проштовхує продукт через
повітряний канал до решета. В кінці повітряного каналу знаходиться циклон,
який вловлює подрібнений порошок і подає його через брезентовий рукав на
решето.
Міні-млини останнім часом набули популярності завдяки своїм
численним перевагам з точки зору техніко-економічних показників. А саме:
відносно невисока ціна обладнання, низьке споживання електроенергії,
необхідної для переробки зерна, а також короткі терміни будівництва
майданчика та встановлення обладнання. Невеликі габаритні розміри
обладнання дають змогу використовувати для його встановлення вільні
земельні ділянки з низькою прохідністю, а для обслуговування міні-млинів
потрібна невелика кількість кваліфікованих працівників.
Одним з напрямків інтенсифікації помелу, запропонованих
швейцарськими компаніями, такими як «Буллер» і «Г.А. Єгоров», є
використання нового покоління високопродуктивного комплексного
технічного обладнання, яке дозволяє скоротити час технологічних процесів
за рахунок збільшення ступеня початкового подрібнення.
Перспективним є процес подрібнення зернових продуктів, що поєднує
крихке подрібнення частини ендосперму разом з пластичною деформацією
ядра [16]. Для його реалізації А.А. Нетребський розробив млин CBC
(рис.1.6). Він складається з циліндричного корпусу 1, подрібнювального
22
барабана 2, головного валу 3, розвантажувального конуса 4, приводу 5 і
завантажувального пристрою 6.
Рисунок 1.5 Схема дезінтегратора: 1 рухомий диск; 2 нерухомий диск;
3 колектор; 4 пальці 81
Подрібнюючий барабан встановлений на важелі 7, закріпленому на
валу 3, який переміщується в радіальному напрямку циліндричного корпусу
1. Вихідний матеріал подається через систему живильних патрубків 9.
Вивантаження подрібненого продукту залежить від обраного режиму
роботи.
23
Рисунок 1.6 - Схема відцентрового вальцьового верстата
У першій модифікації вихідний продукт під дією відцентрової сили
подається на внутрішню циліндричну поверхню корпусу та подрібнюється
барабаном 2, по спіралі через конус 4; у другій вихідний продукт надходить
в барабан 2, подрібнюється в ньому кулею 8, а потім вивантажується через
розвантажувальне вікно 10 в корпус 1.
Основними позитивними конструктивними особливостями
запропонованої відцентрової вальцевої машини є [7]:
- відсутня жорстка кінематична взаємозв'язок між основним робочим
органом;
- передбачена автоматична установка зазору між валками;
- подрібнення виробів в насипному шарі здійснюється під дією сил
інерції при поєднанні навантажень і виникненні деформацій зсуву, вигину,
стиснення і розтягування;
- зсувна деформація в зоні розтріскування зерна може зменшити силу
тертя за рахунок ковзання сили тертя між подрібнюваним продуктом і
24
поверхнею основного робочого органу;
- у міру зменшення розміру подрібнюваних частин руйнівна здатність
збільшується;
- процес подрібнення в робочій зоні подрібнювача здійснюється
шляхом поділу подрібнених частинок за розміром.
При аналізі конструкції відцентрово-валкової машини CVS
з'ясувалося, що поряд з позитивними показниками, є і негативні. Наявність
хаотичних рухів продукту при подрібненні призводить до зниження
дисперсності кінцевого продукту. Жорсткі умови експлуатації машини з
таким принципом роботи погіршують її надійність і довговічність.
1.6 Технологія переробки зернових продуктів з використанням
кулькових подрібнювачів та її ефективність
Технологічна схема отримання дрібнодисперсних зернових продуктів
(рис. 4.26) включає очищення, попереднє подрібнення, двухступінчасте
розсіювання та кінцеве подрібнення. Зерно перед розмелюванням поступає у
бункер 1. Для видалення домішок обробляється у сепараторі 2 та магнітному
уловлювачі 3. Після цього, в залежності від крупності, поступає на
кульковий млин 4 першої стадії подрібнення або вальцьовий верстат 5.
Кульковий млин включений в технологічну схему, як основний
подрібнювальний пристрій, а вальцьовий верстат використовується для
можливого початкового подрібнення крупних частинок сировини. Але після
нього помел поступає на попередній кульковий подрібнювач 5. Після цього
отриманий помел надходить на розсіювач 6, де прохід з сита № 35, № 49/52
надходить у відповідні бункери 6. Схід з сита № 25 подається на кінцевий
кульковий подрібнювач 8, а після помелу надходить на розсіювач 6, де
відбувається розподіл часток за розмірами фракцій та подача у збірник 9.
25
Технологічна схема отримання дрібнодисперсних зернових продуктів
(рис. 1.7) включає очищення, попереднє подрібнення, двухступінчасте
розсіювання та кінцеве подрібнення. Зерно перед розмелюванням поступає у
бункер 1. Для видалення домішок обробляється у сепараторі 2 та магнітному
уловлювачі 3. Після цього, в залежності від крупності, поступає на
кульковий млин 4 першої стадії подрібнення або вальцьовий верстат 5.
Кульковий млин включений в технологічну схему, як основний
подрібнювальний пристрій, а вальцьовий верстат використовується для
можливого початкового подрібнення крупних частинок сировини. Але після
нього помел поступає на попередній кульковий подрібнювач 5. Після цього
отриманий помел надходить на розсіювач 6, де прохід з сита № 35, № 49/52
надходить у відповідні бункери 6. Схід з сита № 25 подається на кінцевий
кульковий подрібнювач 8, а після помелу надходить на розсіювач 6, де
відбувається розподіл часток за розмірами фракцій та подача у збірник 9.
Рисунок 1.7 - Принципова технологічна схема отримання
дрібнодисперсних зернових продуктів
26
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Характеристика об’єктів та напрямки досліджень
Об'єктом досліджень є лабораторний кульковий подрібнювач, що
забезпечує різні режими роботи подрібнення за допомогою зміни кінематичних
та конструктивних параметрів. При проведенні досліджень і випробувань
кулькового подрібнювача досліджували процес подрібнення таких зернових
продуктів: пшениця за ДСТУ 3768 – 2004; шрот амаранту – побічний продукт
переробки насіння амаранту за ТУ 15.8 – 19492247-002-2004; шрот льону за
ДСТУ 1094-2005– побічний продукт переробки насіння льону підприємств.
2.2. Методики експереминтальних дослідженнь
Методологія дослідження заснована на сучасних теоретичних і
експериментальних дослідженнях ефективності енергоспоживання і якості
подрібнення, фізичному і математичному моделюванні процесу подрібнення
зернових продуктів.
2.2.1. Методика експериментального дослідження процесу подрібнення
зернових продуктів у кульовому подрібнювачі
Завданням експериментального дослідження є отримання кількісних
характеристик роботи подрібнювача при різних режимах роботи. Дисперсність
подрібнених продуктів визначалася в залежності від режиму роботи і
конструктивних параметрів подрібнювача, а також енергетичних параметрів
процесу подрібнення.
Виготовили та встановили лабораторне обладнання та обрано набір
вимірювальних приладів (рис. 2.1).
27
Рисунок 2.1. -Схема експериментальної установки
Подрібнювальний пристрій має вертикальний циліндричний корпус 1,
всередині якого на валу 2 закріплений обертовий стіл з конічним
подрібнювальним кільцем 4. У верхній частині корпусу розташована кришка 5,
на якій 2 шпильками 6 і гайкою 7 закріплений набір затискних кілець 8. Кут
нахилу затискного кільця регулюється шляхом зміни висоти регулювального
шпильок контргайки 7.
Нерухоме затискне кільце 8 було зібрано в комплект, розмір якого був
визначений відповідно до вимог дослідження. Відстань між ними
забезпечується дистанційною втулкою 9. Крім того, він повинен бути більше
діаметра кульки 10, але менше суми двох діаметрів кульки 2. Вся упаковка
затягується шпилькою 6 і гайкою 11. У верхній частині кришки змонтований
28
завантажувальний бункер 13 з патрубком 12, в нижній частині змонтований
завантажувальний патрубок 14.
2.2.2. Методи вимірювання та визначення технічних характеристик
зернових продуктів
Продуктивність млина визначалася по масі подрібненого продукту через
годину після виходу подрібнювача на заданий режим роботи.
Масова вартість подрібнюваного матеріалу в одиницю часу визначалася
метрологічним методом з використанням лабораторних ваг типу Т-1000
третього класу точності.
G=Mт /tч, (2.1)
де Мт – маса подріблювального матеріалу;
tч – час подачі.
Гранулометричний склад борошна визначали відповідно до ГОСТ-27560-
87 шляхом просіювання через нейлонове сито масою 16,45 г. середній діаметр
гранул і розмір частинок найдрібнішої фракції визначали за допомогою
ЛАЗЕРНОГО ГРАНУЛОМЕТРА MASTERSIZER. Принцип вимірювання
заснований на теорії дифракції Фраунгофера і полягає в розсіюванні світла
частинками, розподіленими відповідно до їх розміру [6].
Вологість зерна визначали шляхом сушіння в сушильній шафі при
температурі 9404-88°C протягом 40 хвилин з моменту встановлення
необхідного рівня температури згідно ГОСТ "Зерно. Методи визначення
вологості".
Вологість амарантового і лляного борошна визначали стандартним
методом для цих продуктів - прискореної сушки в СЕШ-3М [8].
Частоту обертання приводного валу вимірювали за допомогою
стробоскопічного тахометра 2ТСт32-456 відповідно до процедури.
29
Кут нахилу шліфувального круга визначали за допомогою транспортира
типу 1 мод. 2УМ.
Кут нахилу затискного кільця визначається шляхом перерахунку різниці
висот регулювального штифта щодо кришки, виміряної за допомогою
штангенциркуля типу ШЦ-1, відповідно до процедури, описаної в ГОСТ 166-
80.
Енерговитрати на процес подрібнення визначали за допомогою
вимірювального комплексу К-50 відповідно до методики, описаної в ГОСТ–78-
50.
2.3. Планування та порядок проведення експериментів
З огляду на те, що процес подрібнення зернових продуктів залежить від
великої кількості факторів, які не залежать один від одного, прийняли гіпотезу
про нормальний закон розподілу випадкових результатів вимірювань.
Важливим етапом планування експериментів є визначення необхідної їх
кількості. Крок зміни та діапазон значень параметрів наведені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 Зміна вимірюваних параметрів
Змінні параметри Позначення Крок зміни Діапазон зміни
Різниця в довжині
регулювальних шпильок L 0,003 м 00,030 м
(кут нахилу притискних
кілець 2);
Відстань між двома
сусідніми притискними h 0,005 м 0,0250,035 м
кільцями
Кількість обертів
привідного вала n 100 об/хв 300800 об/хв
електродвигуна
Кількість притискних mпр 1 шт. 14 шт.
кілець в пакеті
30
Кількість повторень досліду визначалося за формулою 6:
2
wm kw n m , (2.1)
пов
y
де m – кількість випробувань попередніх;
wm - діапазон параметрів зміни;
km - коефіцієнт ймовірності довірчої = 0,99 2;
y - ширина інтервалу довірчого (табл.2.3).
Таблиця. 2.3 Похибка вимірювальної апаратури
Прилади, що використовувались Точність вимірювання
Ваги Т –1000 3-го класу точності
Штангенциркуль ШЦ-1 0,1 мм
Тахометр стробоскопічний 2Ест32-456 10 об/хв/поділку
Мікрометр 0,01 мм
Електровимірювальний комплект К-50 10 Вт/поділку
Для нейтралізації впливу систематичних похибок всі вимірювальні
прилади були ретельно перевірені і відкалібровані. Похибка оцінювалася
відповідно до рекомендацій [3], в яких використовувалися паспортні дані
приладів і діапазон вимірюваних ними параметрів.
Порядок проведення експериментів наступний:
1. Вибрали досліджувані параметри, залишивши все інше незмінним.
Наприклад, при дослідженні оптимальної частоти обертання приводного валу
були взяті усталені значення 2 і h, а досліджуваний параметр n змінювався в
заданому діапазоні і контролювався тахометром.
2. Вона включала в себе експериментальну установку портативного
вимірювального комплексу 2 з тумблером 1 (рис. 1).2.4). Змінний струм, що
проходить через перетворювач 3, перетворився в постійний струм і подавався
на електродвигун 4 установки по мережі проводів. Після виходу двигуна на
заданий режим роботи потужність холостого ходу реєструвалася електричним
31
пристроєм комплексу обертання до-50. Принципова схема підключення
комплексу до - 50 показана на малюнку 1.2.4.
3. Експеримент проводили за схемою (рис.2.2) у такому порядку:
подрібнення здійснювали на подрібнювачі 5. 1 суспензію досліджуваного
зернового продукту заливали в його бункер 6, потім відкривали дозуючий
пристрій 7 і включали секундомір. Під час шліфування потужність і час ходу
двигуна реєструвалися на ватметрі вимірювального комплексу.
Рисунок 2.2 - Схема дослідної установки при підключенні її до
вимірювального комплексу К - 50
1. Після того як подрібнили наважку вимкніть секундомір та
електродвигун за допомогою перемикача 1 і запишіть показання секундоміра та
ватметра.
2. Поділ на фракції проводили за допомогою дифузора РЛ-3М типу 8, а
отриманий помел розділяли на фракції відповідного розміру відповідно до
ГОСТ-27560-87.
32
3. Дисперсійний склад і процентний вміст фракції отриманого продукту
визначали стандартними методами при 4.
. 4. У наступних експериментах ми змінювали досліджувані параметри.
Зміна режиму роботи і частоти обертання двигуна проводилося шляхом зміни
положення ручки 9 на перетворювачі.
2.4. Обробка результатів експериментів і їх аналіз
Оброблення проведених експериментів методами математичної
статистики дала можливість оцінити їх точність. Для цього використовувалась
методика, описана в 78, 106.
Середнє значення випадкових величин визначали за залежністю:
1 nпов 1 5
y yi yi , (2.2)
nпов i1 5 i1
де nпов- константи повторюваних значень випадкових величин;
yі – і- те випадкове значення випадкової величини.
Значення середньої квадратичної похибки визначали за формулою:
1 nпов
S yi y . (2.3)
nпов 1 i1
При цьому ширина довірчого інтервалу розраховувались за формулою:
S
y k1 , (2.4)
nпов
де k1 - коефіцієнт Стьюдента, який залежить від об’єму виборки та заданої
довірчої імовірності.
Абсолютну похибку (довірчий інтервал) обчислювали за формулою:
St
, (2.5)
nnоо M
де t' – критерій Стьюдента, який вибирався за таблицями [109] при
заданій імовірності Р=0,95.
33
М – поправка на зміщення стандартного відхилення, знайдена за
таблицями [21, 78].
Відносну похибку розраховували за формулою:
100
p . (2.6)
y
2.5. Математичні методи досліджень
Процес подрібнення зерна вивчався за допомогою методу
експериментально-статистичного моделювання. Для цієї мети
використовувалися експериментальні схеми з взаємозалежними змінними [2].
Цей тип завдань належить до класу Технологія властивостей (T-Q). При
їх вирішенні найчастіше використовується планування 3-факторних
експериментів. У цих планах в якості критерію оптимальності приймається
початкове значення У, яке характеризує початковий показник якості продукту.
Вхідна змінна коефіцієнта Xі є параметром налаштування технічного процесу.
Рішення таких завдань передбачає використання симплексно-симетричних
схем, зокрема d-оптимальних схем. Широкий діапазон точок в D-оптимальному
розрахунку охоплює весь діапазон факторних просторів [2].
Для отримання рівняння регресії використовується метод найменших
квадратів, який дозволяє отримати неупереджені і приблизні оцінки всіх
експериментальних параметрів [10]. Аналіз достовірності отриманого рівняння
проводиться відповідно до основних положень дисперсійного аналізу за
критерієм Фішера [6].
На основі отриманої математичної моделі проводиться оптимізація
процесу з використанням комплексного методу Боксу-Вілсона.
На основі отриманих залежностей виконується графічна інтерпретація
математичної моделі для обраних вихідних параметрів.
Отримані нижче математичні моделі можуть бути використані для
оптимізації виробничого процесу, прогнозування якості продукції та
34
коригування контрольованих технологічних факторів, зокрема, для пошуку
екстремумів критеріїв оптимальності та відповідних значень вхідних змінних.
35
РОЗДІЛ 3. МАТМОДЕЛЮВАННЯ РУХУ КУЛЬОК В ПОДРІБНЮВАЧІ
Для забезпечення працездатності розробленого кульового
подрібнювача необхідно розрахувати його основні конструктивні розміри.
Ефективне подрібнення в кульовому подрібнювачі може бути
забезпечено за умови знаходження оптимальних конструктивних параметрів
млина на основі математичного моделювання процесу подрібнення [5].
Математична модель подрібнення повинна дозволяти вирішувати
наступні завдання:
- Встановити взаємозв'язок між силовими і кінематичними
характеристиками механічної системи подрібнення і визначити оптимальні
геометричні характеристики для досягнення ефективного подрібнення;
- Описати рушійну силу мелющего кулі і розрахувати силове
навантаження механічної системи;
- Визначити основні конструктивні параметри подрібнювача кульок.
3.1. Теоретичне обґрунтування вибору розумного кута нахилу кільця
що розмелює
У попередніх експериментах при роботі млина, якщо мінімальний кут
нахилу її робочої поверхні становив близько 17°, то можна з упевненістю
сказати, що подрібнюється продукт буде підніматися знизу вгору по кільцю
вала. Давайте математично доведемо, що цей кут є раціональним і обраний
правильно [12].
На рисунку 3.1 схематично показана сила, що діє на внутрішню робочу
поверхню конічного розмелювального кільця на частинку R.
36
Рисунок 3.1. - Схема руху частинки на поверхні розмелювального
кільця
Для частинки масою m сила тяжіння G направлена вертикально вниз, а сама
частинка Р переміщується по поверхні розмелювального кільця, яка
нахилена до вертикалі під кутом 1. Розкладемо складний вектор сили
тяжіння на нормальну та дотичну складові до поверхні розмельного кільця:
GN =mg sin1 ,
GТ =mg cos1,
де GN – нормальна складова сили тяжіння, Н;
GТ - дотична складова сили тяжіння, Н;
g – прискорення вільного падіння, м/с2.
При обертанні кільця на частинку Р діє відцентрова сила Fц, яку також
можна розкласти на двоє складових:
F ==m 2
ц N ч r cos1,
F 2
ц Т =mч r sin1,
де Fц N - нормальна складова відцентрової сили, Н;
37
Fц Т - дотична складова відцентрової сили, Н;
- кутова швидкість обертання вала, с-1.
Сумарна нормальна складова, яка притискає частинку до поверхні
розмелювального кільця:
N = F 2
ц N + GN = mч r cos1 +mg sin1, Н. (3.1)
Сила тертя, яка перешкоджає руху частинки по поверхні:
F = f (mч2r cos1 +mg sin1), Н; (3.2)
де f – коефіцієнт тертя.
Дотична сила, що діє на частинку:
Т = Fц Т - GТ = mч2r sin1 - mg cos1, Н. (3.3)
До тих пір, поки сила тертя перевищує силу T, частинки залишаються
нерухомими щодо поверхні розмелювального кільця. Однак, коли кут
перевищує 1, поверхня подрібнюючого кільця також відчуває
тангенціальний рух частинки Р через пружне відбиття від кулі кулі, тому
подрібнені частинки починають рухатися до наступної подрібнювальної
колони кулі при певній величині або вивантажуються з останньої колони.
Для того, щоб частинки продукту рухалися повільно, результуюча сила,
що діє на частинки в напрямку руху, повинна дорівнювати нулю. Умовою,
при якому частинки повільно переміщаються по поверхні шліфувального
кільця кульового млина з урахуванням відображення частинок від кулі, є
нерівність Т F, яке має вигляд:
Зробимо підстановку відповідних величин для fцт і n:
Після певних перетворень отримаємо:
38
де f =0,3 – табличне значення коефіцієнту тертя зернових по сталі 5;
= 5 – величина кутової швидкості обертання валу, с-1;
r = 0,14 –від осі обертання до частинки матеріалу, м;
g =9,8 прискорення вільного падіння, м/с2.
Отримуємо оптимальний кут нахилу розмелювального кільця tg1 =
0,346.
Оптимальний розрахунковий кут нахилу розмеленого кільця складає
1 = 19. Значення кута близьке до експериментального значення.
3.2 Розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача
Розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача розглядаємо як
добуток величини перерізу шару продукту що розмелюється на швидкість
руху продукту поверхнею розмелювального кільця:
V=F o, м
3/с , (3.8)
де F – величина перерізу шару продукту, м2;
o – швидкість руху продукту по поверхні розмелювального кільця, м/с.
Товщина шару продукту, щопереміщується по поверхні
розмелювального кільця, рівна площі між двома слідами кульок на ньому.
39
Схема щілини зюбраажена на рисунку 3.2.
1
2
3
Рисунок 3.2 - Схема щілини: 1 – площа; 2 –кільце що притискає;
3 – кулька
Знайдемо площу щілини:
де dk – величина діаметру кульки, м.
Принцип роботи кульового млина полягає в тому, що кулька
безперервно котиться по поверхні шліфувального круга, і кожен наступний
кулька котиться по новій умовній доріжці. Таким чином, поперечний переріз
шару продукту розраховується за такою формулою:
де 2 – величина кута нахилу притискного кільця.
Розрахуємо об’ємну продуктивність кулькового подрібнювача:
40
Виходячи з рівнянь 3.9 і 3.10 об’ємну продуктивність кулькового
подрібнювача при одному оберті розмелювального кільця можна
розрахувати так:
2
Dрозd к 1
4
V=
nsin , м3
2 /с; (3.11)
2
де Dроз- діаметр розмелювального кільця, м;
n – кількість обертів привідного вала, с-1.
Тоді масова продуктивність кулькового подрібнювача буде описана
так:
2
Dрозd к 1
4
G=
n sin 2 , кг/с; (3.12)
2
41
РОЗДІЛ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПОДРІБНЕННЯ ЗЕРНОВИХ
ПРОДУКТІВ В КУЛЬКОВОМУ ПОДРІБНЮВАЧІ
Детальний опис процесу подрібнення зерна в кульковому подрібнювачі
можливий лише за умови доповнення математичних моделей результатами
експериментальних досліджень.
Експериментальні дослідження процесу подрібнення в кульковому
подрібнювачі дають можливість вирішити наступні задачі:
- уточнити математичні моделі процесу подрібнення в кульковому
подрібнювачі;
- підтвердити оптимальні конструктивні параметри кулькового
подрібнювача;
- довести адекватність математичної моделі процесу подрібнення в
кульковому подрібнювачі;
- визначити оптимальні режими подрібнення в подрібнювачі.
Основна умова, за якої можливий описаний вище складний рух кульок
та створення необхідного руйнівного зусилля на розмелювальний продукт,
досягається перерозподілом сил за рахунок забезпечення оптимальних кутів
нахилу розмелювального та притискного кілець, а також за рахунок підбору
діаметру кульок і обертів привідного вала. При знаходженні одного
невідомого параметра решту приймали сталими.
4.1. Експериментальне підтвердження правильності вибору
раціонального кута нахилу розмелювального кільця
Основний конструктивний параметр розмелювального кільця – це кут
нахилу його робочої поверхні. Завдяки йому створюється заданий
осцилюючий рух кульок і рівномірний розподіл розмелюваного продукту по
робочій поверхні.
42
Експериментальні дослідження, необхідні для обґрунтування
раціонального кута нахилу робочої поверхні розмелювального кільця,
проводилися при сталих обертах вала кулькового міні-млина n = 600 хв-1 з
використанням зернових продуктів (зерно пшениці після I драної системи,
шрот амаранту та льону).
В ході математичного моделювання було отримано оптимальний кут
нахилу робочої поверхні розмелювального кільця 1 = 19.
На переміщення продукту по поверхні розмелювального кільця
впливають два фактори. Перший фактор – це безпосереднє переміщення
продукту по конічній поверхні за рахунок складової відцентрової сили, яка
діє при обертанні розмелювального кільця. Другий фактор рух
подрібнюваних продуктів за рахунок відкидання кульками в процесі їхнього
складного осцилюючого руху.
Кути нахилів розмелювального кільця та притискного кільця
забезпечують перерозподіл сил в системі, обумовлюють складний рух кульок
відносно поверхні розмелювального кільця. Конструкція подрібнювача
дозволяє змінювати в деяких межах ці кути і, відповідно, схему силової дії
кульок на розмелюваний продукт. Тому доцільно було провести дослідження
залежності ефективності подрібнення від цих кутів. З графіків та їх аналізу
(розділ 3) виходить, що кут нахилу розмелювального кільця впливає на
переміщення розмелюваного продукту по його поверхні. У дослідах
початковий кут дорівнював 1 = 10, тобто він був менший за розрахунковий,
а потім його дискретно збільшували при сталих значеннях обертів
привідного вала n = 600 хв-1
в та наявності лише одного ряду кульок (рис. 4.1).
Знаходження оптимального кута нахилу розмелювального кільця
полягало в спостереженні за процесом переміщення подрібнюваного
продукту по його поверхні та знаходження такого її нахилу, який би
забезпечував відсутність утворення застійних зон.
43
φ1
б)
а)
Рисунок 4.1 - Схема проведення експерименту: а) і загальний вигляд; б)
робочої поверхні розмелювального кільця: 1 – ряд кульок.
Під час кожного наступного досліду кут збільшували з інтервалом
2…3 від 10 і до 19. У кожному досліді оцінювали інтенсивність
переміщення подрібнюваного продукту, а саме: факт утворення, товщину і
ширину застійної зони над умовною доріжкою руху кульок та відстань
зміщення помелу від неї. До наступного етапу дослідження приступали після
механічного підрізання робочої поверхні розмелювального кільця для
утворення необхідного кута її нахилу. Результати експериментальних
досліджень подані на рис. 4.2.
При наближенні значень 1 до 17 спостерігалось поступове зменшення
товщини застійної зони В над рядом кульок до 1,5 мм за рахунок
рівномірного переміщення подрібненого продукту по поверхні
розмелювального кільця, який поступово піднімався до верхньої його
частини в зону вивантаження.
44
В, мм
6
5
4
3
2
1
8 10 12 14 16 18 1,
Рисунок 4.2 - Вплив кута нахилу робочої поверхні розмелювального
кільця 1 на товщину застійної зони В на його поверхні
При досягненні кута 1 = 17 подрібнювальний продукт рівномірно
переміщувався до вивантаження, і при цьому майже зовсім зникала застійна
зона. Цей кут можна вважати оптимальним і таким, що забезпечує
рівномірне висхідне переміщення розмелюваного продукту.
Кут нахилу розмелювального кільця 1 = 19 знайдений теоретично,
який більший за оптимальний, приймати недоцільно, тому що
подрібнюваний матеріал швидше рухатиметься, а значить зменшиться
ступінь його подрібнення.
4.2 Дослідження впливу інших конструктивних та кінематичних
параметрів кулькового подрібнювача на його робочі характеристики
Для обґрунтування геометричних і конструктивних параметрів робочих
органів подрібнювача було проведено ряд експериментів по визначенню їх
оптимальних значень. Основною умовою подрібнення продукту є
забезпечення такого складного руху кульки і такого перерозподілу сил, щоб
45
забезпечити необхідні одночасні деформації зсуву, і стиску у
подрібнюваному продукті за умови максимального енергозбереження при
подрібнені. Стискаюче навантаження повинне дещо перевищувати межу
міцності подрібнюваних продуктів, але кінцеве руйнування має здійснюється
за рахунок зсуваючої дії кульки, тому що межа міцності зернових продуктів
при зсуваючому деформуванні менша, ніж при стисканні [2].
Відомо, що межа міцності при розтягуванні оболонки зерна та інших
досліджуваних продуктів знаходиться в межах 13,5...31 МПа, а межа
міцності ендосперму та ядра зернових продуктів не перевищує 3 МПа , тобто
менша на порядок 4. Ця властивість має важливе технологічне значення,
тому що в процесі подрібнення дозволяє вибірково здрібнювати складові
зернового продукту. На цьому принципі й побудований спосіб подрібнення в
кульковому подрібнювачі. Для його забезпечення необхідно тиск кульок
довести до 31 МПа, а зсувні зусилля - до 0,6...3 МПа, в залежності від
структурно-механічних властивостей подрібнюваних зернових продуктів 4.
Ще одним впливовим фактором, що інтенсифікує процес подрібнення
за рахунок втомного механізму руйнування, є багаторазова дія, кульок на
частинки подрібнюваного продукту. Цей фактор може регулюватися
кількістю рядів кульок, яка залежить від крихкості продуктів. Адже лише
при багаторазовому впливі зовнішніх зусиль на продукт за умови, що
напруження в продукті перевищують сили зчеплення його частин, він
розпадається на більш дрібніші частинки.
Отже, при виборі оптимальних конструктивних параметрів необхідно
створити такі умови руху кульки та систему прикладання сил з боку кульок
на продукт, щоб за рахунок багаторазової стискаючо-зсуваючої дії
відбувалося руйнування зв’язків між складовими частинами подрібнюваного
продукту.
46
4.2.1. Вибір раціональної частоти обертання привідного вала
подрібнювача
Метою дослідження було визначення мінімальної частоти обертів
привідного вала, при якому створюється необхідний питомий тиск на
частинки зернової сировини для отримання продукту із заданим
гранулометричним складом.
Оскільки розмір сферичної кульки відомий, то легко визначити площу
її відбитку на поверхні розмелювального кільця. Знаючи силу дії кульки на
продукт (реакція N1) та площу її відбитку, можна визначити питомий тиск на
розмелювальний продукт:
N
P 1
, (4.1)
Sk
де Sk – площа відбитку кульки на подрібнювальному продукті, м2.
Проаналізувавши рівняння (4.1) з урахуванням (3.25, В.7), складові N1 і
Sk та графічні залежності N1 = f(n) (рис. 3.11) можна зробити висновок, що
тиск на розмелювальні частинки найбільше залежить від реакції сили N1, яка
пов’язана з обертами привідного вала.
Площу відбитку знаходили експериментальним шляхом, замірювали
ширину доріжки залишеної кулькою (bв) за допомогою мікрометра, а потім
розраховували за формулою:
bв
2
Sk ,
4
де Sk – площа відбитку кульки на подрібнювальному продукті, м2;
bв – ширина відбитку кульки, м.
Результати вимірювань подані таблиці 4.1.
У дослідженнях впливу обертів на ефективність подрібнення у
лабораторну установку було закладено два ряди кульок, а кут нахилу
притискних кілець установили на рівні 2 = 6.
47
Таблиця 4.1 Площа відбитку кульки на розмелювальному кільці
№ Ширина відбитку Площа відбитку
Діаметр кульки, м
п/п кульки, bв, м кульки, S , м2
k
1 2,54·10-2 1,2·10-3 1,13·10-6
2 3,01·10-2 1,5·10-3 1,76·10-6
Експеримент проводили згідно з планом досліджень. При цьому
змінювали оберти та визначали гранулометричний склад отриманого
зернового продукту у відсотках по кожній фракції. Дані досліджень подані в
таблиці 4.2.
Розсівання одержаних продуктів на наборі капронових сит (ГОСТ-
4403-98) показало (табл. 4.2), що кількість фракції гранул борошна пшениці
менших за 294 мкм становить лише 14,7 % при обертах вала n = 400 хв-1.
Подрібнення шроту льону та амаранту розпочинається при обертах більших
за n=500хв-1. При таких обертах гранули розміром менші за 294 мкм
починають тільки з’являтися, і їх кількість складає для борошна амаранту
8,8 %, а льону – 5,8%. З підвищенням обертів фракційний склад отриманих
продуктів поповнюється дрібними гранулами, що підтверджується
відсотковим вмістом продукту на ситі № 49/52 (сходова та прохідна
фракція).
При подальшому аналізі отриманого при n = 600 хв-1 фракційного
складу пшеничного борошна видно, що вміст гранул, менших за 294 мкм,
становить лише 74,6 %, а вміст гранул менших за 132 мкм, становить 9,4 %. З
підвищенням обертів до n = 700 хв-1 відсотковий вміст гранул, менших за
294 мкм, збільшується до 26,2 %, але при цьому зменшується вміст гранул з
розміром меншим за 132 мкм до 3,4 %.
83
Таблиця 4.2 Фракційний склад розмелених зернових продуктів при різних обертах привідного вала
Прохід через сито
Залишок на ситі №25 Залишок на ситі №35 Залишок на ситі №49/52
№49/52
(.294мкм),% (294...219мкм),% (219...132мкм),%
(132мкм),у, %
Кількість
обертів
вала хв.-1
400 85,3 3,5 3,2 8
500 75,7 91,2 94,2 5,3 2,8 1,7 4,9 2,2 1,8 9,1 3,8 2,3
600 74,6 84,2 88,1 8,9 4,8 3,8 7,1 4 3 9,4 7 5,1
700 73,8 81,7 86,5 13 5,4 4,4 9,8 4,8 3,1 3,4 8,1 6,8
800 74,2 80,4 84,4 13,8 5,6 5,0 12 5,8 3,8 7,8 6,1
Зерно
пшениці
Шрот
амаранту
Шрот
льону
Зерно
пшениці
Шрот
амаранту
Шрот
льону
Зерно
пшениці
Шрот
амаранту
Шрот
льону
Зерно
пшениці
Шрот
амаранту
Шрот
льону
48
49
При подальшому підвищенні обертів гранули менші за 132 мкм зовсім
відсутні. При такому режимі подрібнення розміри частинок надто малі і
затрудняють їх просіювання через комкування на ситі за рахунок сил адгезії.
Таким чином, найбільш оптимальний режим подрібнення при
отриманні борошна із зерна пшениці досягається при обертах привідного
вала 600 хв-1 і при цьому досягається найбільша ступінь подрібнення та
оптимальний дисперсний склад кінцевого продукту. При аналізі фракційного
складу борошна із шротів льону та амаранту відтворюється аналогічна
картина процесу подрібнення, але вже при інших обертах привідного вала. Із
табл. 4.2 видно, що найбільш раціональні оберти для подрібнення цих шротів
є n = 700 хв-1. Різниця в оптимальних обертах подрібнення зерна пшениці та
шротів обумовлена структурно-механічними властивостями подрібнюваних
продуктів.
4.2.2 Експериментальне обґрунтування вибору кутів нахилу
притискних кілець подрібнювача
Для обґрунтування раціонального кута нахилу притискного кільця до
горизонту та впливу його на дисперсний склад кінцевого продукту була
проведена окрема серія експериментів. Адже результати графічного
знаходження кута (рис. 3.8 – 3.10, 3.12) визначають не числове значення
раціонального кута нахилу притискного кільця, а лише вказують на область
суттєвих змін сил тертя на робочих поверхнях подрібнювача. Разом з тим
очевидно, що кут 2 повинен бути таким, щоб забезпечити максимальну силу
тертя кульки по поверхні розмелювального кільця. Умови руху, при яких
кулька гальмується, є критичними і негативно впливають на працездатність
розмелювальної машини та ефективність процесу подрібнення 5. Такий
режим руху виникає, коли кулька знаходиться у верхньому лівому куті,
50
утвореному поверхнями розмелювального і притискного кілець (див.
рис.3.5).
Знаходження цього критичного кута нахилу притискного кільця
необхідне ще й для того, щоб при конструюванні механізму регулювання
нахилу притискних кілець передбачити, і виключити ті його крайні
положення, при яких кулька повністю загальмовується, що негативно
впливає на процес подрібнення, довговічність робочих поверхонь млина і
спричиняє нестійку роботу машини з вібраціями та деформуванням робочих
поверхонь розмелювального та притискного кілець. При такому режимі
роботи подрібнювача кулька розсуває перед собою подрібнюваний продукт
та ковзає по поверхні розмелювального кільця, що призводить до змішування
металевих продуктів зносу з розмелюваним продуктом та катастрофічного
спрацювання контактних поверхонь кілець.
Під час аналізу розподілу сил тертя (див. розділ 3), які впливають на
процес подрібнення, було показано, що на їх величину більше впливає кут
нахилу притискного кільця, ніж кут нахилу розмелювального кільця і кутова
швидкість привідного вала. Тому нами проведене дослідження кута нахилу
притискного кільця за умови, коли оберти привідного вала будуть
найбільшими (n = 800хв-1), а кут розмелювального кільця є оптимальним
(1 = 17). Конструкція млина дозволяє збирати в пакет різну кількість
притискних кілець. Кільця стягуються шпильками, які можуть регулювати їх
нахил до горизонту (рис. 4.3). Дослідження проводили з одним притискним
кільцем для забезпечення можливості оцінки впливу кута нахилу кільця на
дисперсний склад помелу.
В експериментах змінювали нахил притискних кілець за допомогою
регулювального механізму і шпильок, контролюючи при цьому висоту
шпильок відносно горизонтальної поверхні кришки. При поетапній зміні
кута нахилу притискного кільця візуально оцінювали його вплив на
експлуатаційну стабільність роботи дослідної установки і відсутність різких
шумів та вібрацій. При збільшенні кута до 2 = 12 з’являвся характерний
51
шум з вібрацією. Їх поява пов’язана з зчепленням кульки з розмелювальним і
притискним кільцями в момент проходження відрізку шляху між кільцями з
найменшим кутом нахилу.
Рисунок 4.3 - Механізм регулювання кута нахилу притискних кілець млина:
1 - механізм регулювання; 2 – шпильки;3 – кришка.
Цей кут нахилу притискних кілець названий нами критичним.
Найвпливовішими силами в системі, які обумовлюють повне гальмування
рухомих кульок, є сили їх тертя по поверхнях притискного F і
розмелювального Fx кілець, які в момент гальмування врівноважуються, а
кулька повністю перестає перекочуватись по поверхні розмелювального
кільця, ковзає по притискному кільцю і залишає на ньому слід у вигляді
виразок (рис. 4.4).
Рисунок 4.4 - Гальмівний слід кульки з утворенням рівчаків
зношування та втомних виразок на притискному кільці:1 – виразки.
52
З огляду на те, що кут нахилу розмелювального кільця більший ніж
притискного, то зміна прискорення руху кульки на поверхні
розмелювального кільця буде більшою за його зміну на поверхні
притискного кільця, що, відповідно, впливає на складові моментів інерцій. В
момент виходу кульки з цієї критичної зони відбувається її зчеплення з
робочим поверхнями, що спричиняє утворення рівчаків ковзання на поверхні
притискного кільця. Отже, спостереження за роботою млина та періодичний
візуальний огляд поверхні притискного кільця дали можливість визначити
критичне значення кута нахилу притискного кільця (2 = 12). При більших
його значеннях подрібнювач втрачає працездатність.
Друга частина досліджень була направлена на визначення
раціонального експлуатаційного кута нахилу притискного кільця і
визначення його впливу на ступінь подрібнення сировини і продуктивність
млина. В процесі нормальної роботи подрібнювача (кут нахилу менший за
критичний 2 = 12) кулька притиснута до нижньої поверхні притискного
кільця. Друга точка контакту з кулькою утворюється на поверхні
розмелювального кільця, по якій вона перекочується з ковзанням (тобто
лінійні швидкості розмелювального кільця і точки контакту кульки не
співпадають). Це явище і є необхідним при подрібненні, тому що гарантує
наявність деформацій зсуву в розмелювальних частинках. При такому
режимі роботи на поверхні притискного кільця відсутні виразки і
залишається тільки слід у вигляді рівномірного відблиску, що свідчить про
усталене тертя кульки по його поверхні (рис. 4.6) і відсутність втомного
спрацювання рухомих робочих органів подрібнювача.
Числове значення сили тертя кульки по поверхні розмелювального
кільця безпосередньо залежить від кута нахилу притискного кільця. За
рахунок управління кутом нахилу відбувається зміна, розташування точки
контакту кульки з притискним кільцем, що спричиняє перерозподіл сил в
системі.
53
Рисунок 4.6 - Гальмівний слід кульки на притискному кільці
При цьому змінюються сили тертя та лінійна швидкість перекочування
робочих тіл по поверхні розмелювального кільця, і забезпечується
деформація зсуву з боку кульки на продукт. Очевидно, що зі збільшенням
кута зростає деформація зсуву у подрібнюваних частинках.
Разом з тим, кут нахилу впливає на переміщення подрібнюваного
продукту по поверхні розмелювального кільця в зону вивантаження. Зі
збільшенням кута зростає відстань між двома сусідніми траєкторіями кульок
і, відповідно, транспортується більше подрібнюваного продукту. Отже, кут
нахилу впливає на продуктивність млина. Таким чином, необхідно підібрати
такий максимальний кут нахилу притискного кільця, при якому буде
досягнута необхідна ступінь подрібнення, а продуктивність млина буде
максимальною.
Для проведення цих експериментів у подрібнювач установили два ряди
кульок. Досліди проводили при оптимальних обертах привідного вала для
кожного досліджуваного зернового продукту за методикою, описаною в
розділі 2. У кожному наступному досліді, за допомогою регулювальних
шпильок, змінювали тільки кут нахилу притискного кільця в заданому
інтервалі. Результати експериментів зведені у таблиці 4.3. З неї видно, що
нахил притискних кілець суттєво впливає на ступінь подрібнення зернових
продуктів, що випливає з залишку на ситі № 25, та на продуктивність
кулькового подрібнювача.
54
Проаналізуємо вплив кута нахилу притискного кільця на фракційний
склад подрібненого продукту. При горизонтальному розташуванні
притискних кілець продукт не переміщується по поверхні розмелювального
кільця, а тому утворюється суцільне кільце з нього в горизонтальній площині
їх обертання. Кульки у цьому випадку не штовхають продукт по
розмелювальному кільцю вгору до вивантаження. При збільшенні кута
нахилу притискних кілець до 2 = 1,90 (другий рядок табл. 4.3), кульки
починають штовхати продукт і забезпечують переміщення частинок, про що
свідчить їх поява у розвантажувальному патрубку.
55
Таблиця 4.3 Залежність вилучення продукту та продуктивності млина від кута нахилу притискного кільця
Зерно пшениці Шрот амаранту Шрот льону
№
Залишок на
п/п Залишок на Продуктивність, Залишок на Продуктивність, ситі №25 Продуктивність,
ситі №25 ситі №25 (.294мкм),
(.294мкм),% кг/год кг/год кг/год
(.294мкм),%
%
1 0 0
2 5 1,90 75,2 34 77,3 42 78,1 48
3 10 4,2 74,8 52 75,4 64 75,1 53
4 13 4,9 73,1 80 70,8 88 72,3 81
5 14 5,4 67,0 87,5 60,2 95 63,2 89
6 15 5,7 58,4 90,5 64,6 118 65,3 124
7 17 6,5 60,6 101,8
Різниця у висоті
регулювальних
шпильок ι, мм
Кут нахилу
притискного
кільця, 2
55
56
Зі збільшенням кута нахилу зростає ступінь подрібнення, що видно по
залишку помелу на ситі № 25. Це обумовлено збільшенням деформацій зсуву
в подрібнюваних частинках продукту. При аналізі отриманого борошна із
зерна пшениці таке зменшення залишку на ситі (до 58,4%) спостерігали при
збільшенні кута до 2 = 5,7. При подальшому збільшенні кута до 2 = 6,5
залишок на ситі складав вже 60,6 %. Зростання залишку пов’язане з тим, що
зі збільшенням кута, зростає відстань між двома сусідніми траєкторіями
кульок і вони не встигають подрібнювати захоплений продукт, а частину
його просто переміщують.
Таким чином, раціональним кутом нахилу притискного кільця при
отриманні борошна можна вважати кут 2 = 5,7. У цьому випадку ступінь
подрібнення зернового продукту і продуктивність млина наближається до
оптимальних.
При аналізі величини залишків на капроновому ситі при подрібнюванні
шротів амаранту та льону відмічали подібну закономірність, але вже при
інших кутах нахилу притискних кілець і залишках продукту. З (табл. 4.3)
видно, що оптимальному значенню кута нахилу притискного кільця для
розмелювання шроту амаранту 2 = 5,4 відповідає залишок на ситі 60,2 %.
Для шроту льону значення оптимального кута: 2 = 5,4 відповідає залишок
на ситі 63,2 %. Така відмінність пояснюється різними структурно-
механічними властивостями подрібнюваних зернових продуктів та різними
обертами привідного вала подрібнювача. Таким чином, у млині кут нахилу
притискних кілець необхідно встановлювати в залежності від типу
розмелюваної сировини.
4.2.3. Експериментальне обґрунтування вибору кількості рядів кульок
кілець подрібнювача та відстані між ними
57
Для досягнення необхідної ступені подрібнення сировини у
кульковому подрібнювачі необхідно було визначити раціональну кількість
рядів розмелювальних кульок. За рахунок збільшення кількості рядів кульок
зростає ширина загальної розмелювальної доріжки і, відповідно, кратність
деформування подрібнюваних часток, що визначає гранулометричний склад
розмеленого продукту. Надлишкова кількість рядів кульок може призвести
до переподрібнення розмеленого продукту і отримання надмірно
дрібнодисперсних фракцій. Отже, кількість рядів кульок у пакеті повинна
забезпечити вихід помелу заданого фракційного складу.
Дослідження проводили при визначених оптимальних обертах ротора
подрібнювача і кутах нахилу його притискних кілець для конкретних
зернових продуктів згідно розробленої методики, описаної в розділі 2. В
кожному наступному досліді змінювали тільки кількість рядів кульок.
Одержаний подрібнений продукт просіювали, зважували та розраховували
відсотковий вміст кожної фракційної складової у помелі.
Дослідження розпочинали з трьох рядів кульок, тому що в попередніх
дослідах уже були отримані дані для двох рядів і ці дані можна
застосовувати в аналізі результатів експериментів. Результати розсіювання
помелів на капронових ситах подані в таблиці 4.4.
Очевидно, що продукт, який подрібнився різною кількістю рядів
кульок у помелі має різний гранулометричний склад. Продукт який пройшов
більшу кількість рядів кульок має більшу дисперсність і відсоток вилучення
кінцевого продукту із сировини.
Аналіз результатів (табл. 4.4) дає можливість зробити висновок проте,
що при використанні розмелювального пакету з п’ятьма рядами кульок
продукт має найменший дисперсний склад, оскільки відсотковий вміст
прохідної фракції сита № 49/52 в близьким до 39,2 %. Подальше збільшення
рядів кульок призводить до переподрібнення продукту. Вміст прохідної
фракції через сито № 49/52 зменшується до 31,2 % через грудкування
58
переподрібнених агломератів. Утворення агломератів відбувається за
рахунок адгезії найдрібніших частинок, що ускладнює їх просіювання 45.
59
Таблиця 4.4 Фракційний склад помелу, отриманого при різній ємності кулькового розмелювального пакету
подрібнювача
Прохід сита
Залишок на ситі №25 Залишок на ситі №35 Залишок на ситі №49/52
Кількість (294мкм), % (294...219мкм), % №49/52
(219...142мкм), %
(132мкм), %
рядів
кульок шрот Шрот Шрот Шрот Шрот Шрот Шрот Шрот
Борошно Борошно Борошно Борошно
амаранту льону амаранту льону амаранту льону амаранту льону
3 62,1 68,1 69,8 10,4 12,1 11,8 14,9 9 8,6 12,6 10,8 9,8
4 48,3 57,8 59,1 9,6 10,8 10,4 19,2 9,5 9,3 29,9 21,9 21,2
5 31,5 46,1 47,4 8,2 9,5 9,2 21,1 13,8 13,6 39,2 30,6 29,8
6 30,5 34,7 35,1 8,1 8,0 7,9 30,2 16,8 16,9 31,2 40,5 40,1
7 34,0 34,9 8,0 7,7 27,6 26,3 30,4 31,1
59
60
Результати дослідів показують, що при подрібненні зерна пшениці
потрібно застосовувати пакет із 5-ма рядами кульок, а при подрібненні
шроту амаранту та льону пакет варто збільшувати до 6-ти рядів кульок.
Конструкцією подрібнювача передбачено встановлення деякої кількості
рядів кульок у пакет, утворений притискними кільцями, які обмежують їх
свободу і задають траєкторію руху. Кульки описують на поверхні
розмелювального кільця траєкторію у вигляді овалу. Розмелювальне кільце
має похилу поверхню і під час подрібнення продукту обертається, що сприяє
утворення розмелювальної доріжки визначеної ширини, яка залежить від
кута нахилу притискного кільця та траєкторій руху найвищої і найнижчої
кульок між сусідніми притискними кільцями. Разом з тим, розмелювальний
пакет складається з декількох рядів кульок і траєкторія кожного ряду
робочих тіл повинна межувати із сусіднім рядом, створюючи суцільну зону
розмелювання на поверхні розмелювального кільця, що є умовою
безперервного переміщення помелу по його конічній поверхні до
вивантаження.
При оптимальних геометричних параметрах подрібнювача (діаметрі
розмелювального кільця, його куті нахилу, куті нахилу притискного кільця)
можливо визначити відстань між сусідніми траєкторіями руху кульок. З
огляду на те, що кут нахилу розмелювального кільця сталий, можна
визначити відстань між кільцями в залежності від кута нахилу притискного
кільця (залежить від типу розмелюваного зернового продукту) і діаметра
розмелювального кільця.
Після проведення математичних розрахунків (Додаток А) був
побудований графік залежності відстані між притискними кільцями в
залежності від кута нахилу притискних кілець і ряду розташування кульок,
виходячи з умови неперервності подрібнювальної доріжки. Відстань між
двома сусідніми притискними кільцями, а відповідно, і рядами кульок в
залежності від діаметра розмелювального кільця при заданому діаметру
кульок 0,0254 м можна знайти з графіка (рис. 4.7).
61
h, м
D, м
Рисунок 4.7 - Графік залежності відстані h між притискними кільцями при
розташуванні в ряду (I, II, III, IV, V) від діаметра розме лювального кільця D
Необхідна відстань (h) між двома сусідніми притискними кільцями 3
(рис. 4.8) забезпечується дистанційними втулками 4 і визначається з графіка
(рис. 4.7) та залежить від кута нахилу розмелювального кільця і місця
розташування ряду в розмелювальному пакеті.
Рисунок 4.8 - Розташування притискних кілець у розмелювальному пакеті
подрібнювача:
1 – регулююча шпилька;
При збиранні пакета дистанційні втулки встановлюють на шпильки 1
2 – гайка;
між притискними кільцями. Висота дистанційних втулок залежить від
3 – притискне кільце;
відстані та товщини кілець
4 – дистанційна втулка.
62
4.3. Дослідна перевірка адекватності формули для розрахунку
продуктивності подрібнювача
З метою перевірки достовірності отриманої формули для розрахунку
продуктивності млина (див. розділ 3.4) провели серію експериментів і
дослідили вплив кута нахилу притискних кілець та діаметра кульок на цю
характеристику машини.
Аналіз отриманих результатів (див. табл. 4.3) показав, що
продуктивність зі збільшенням кута нахилу притискного кільця постійно
зростає, тому що збільшується кількість продукту, який захвачується
кулькою, подрібнюється та переміщується по поверхні розмелювального
кільця. Порівнюючи експериментальну залежність продуктивності від кута
нахилу притискного кільця (див. табл. 4.3) з розрахунками за формулою
можна констатувати адекватність формули за умови застосування
оптимального кута нахилу притискного кільця.
Для остаточного підтвердження адекватності отриманої формули,
необхідно було також провести дослідження залежності продуктивності від
зміни діаметру кульки (табл. 4.5).
Таблиця 4.5 Залежність продуктивності від діаметра розмелювальних кульок
№ п/п Діаметр кульки, м Продуктивність, кг/год
1 0,0254 82
2 0,0301 130
Порівняння експериментальних даних та розрахунків залежності
продуктивності від кута нахилу притискних кілець і діаметрів кульок
показало, що результати відрізняються не більше ніж на 7 %.
63
4.4. Розроблення моделі визначення раціональних конструктивних
параметрів кулькового подрібнювача
Дослідження показали, що зміна кутів нахилу притискного і
розмелювального кілець, а також кількості рядів притискних кілець та
частоти обертання привідного вала впливає на ефективність процесу
подрібнення. Тому важливим було вивчити сумісний вплив цих факторів
(кутів нахилу кілець, кількості рядів притискних кілець, частоти обертання
привідного вала) на процес подрібнення, наприклад, зерна пшениці в
борошно, і визначити їх раціональні значення. Раціоналізація процесу
подрібнення можлива за умови отримання математичної моделі, яка описує
закономірності цього процесу.
Для обґрунтованого вибору раціональних факторів та критерію
оптимізації складено параметричну схему (рис. 4.9), яка дає змогу вибрати
керівні фактори (2 – кут нахилу притискного кільця (вимірюється як різниця
у висоті регулювальних шпильок ι, мм); N – кількість рядів притискних
кілець; nв – кількість обертів привідного вала, об/хв; dk – діаметр кульки, м;
1 – кут нахилу розмелювального кільця, град.); керовані фактори (Во –
загальне вилучення продукту з сировини, %; Ппр – продуктивність
подрібнювача, кг/год, Сгр. – середньозважений діаметр гранул, мкм);
збурювальні фактори (Ra- шорсткість поверхні розмелювального кільця; Wз –
вологість підготовленого зернового продукту, %); параметри стану –
вологість борошна – Wб,%.
У нашому випадку збурювальні фактори не змінювалися, оскільки
сировина мала сталу вологість. Шорсткість робочих поверхонь подрібнювача
на етапах досліджень не змінювали.
64
Ra Wз
1 Во
2 ПОДРІБНЕННЯ Ппр
n в Cгр.
ЗЕРНА І ОТРИМАННЯ
N
БОРОШНА
d к
Wбор.
Рисунок 4.9 - Параметрична схема процесу подрібнення
Для спрощення експерименту при моделюванні процесу варто
вибирати невелику кількість вхідних змінних. Оскільки на силу притискання
кульки до поверхні розмелювального кільця, яка забезпечує руйнування
продукту, впливають оберти привідного вала nв (X1) млина, то вони мають
бути одним із факторів, які оптимізується.
Процес подрібнення пов’язаний з енергетичними витратами, тому для
підвищення його ефективності необхідно збільшувати продуктивність та
вилучення кінцевого продукту з сировини. Збільшення продуктивності
можливе за рахунок збільшення кута нахилу притискних кілець, що
приводить до підвищення швидкості переміщення подрібнювального
продукту по поверхні розмелюваного кільця, але при цьому знижується вихід
борошна за рахунок зменшення часу перебування розмелювального продукту
в зоні подрібнення. Підвищення ступеню подрібнення можливе за рахунок
збільшення кількості рядів притискних кілець, але надлишкова їх кількість
приводить до переподрібнення продукту, що погіршує гранулометричний
склад та якісні показники кінцевого продукту. Тому в якості факторів, які
оптимізувалися, були також вибрані 2 (Х2) та N (Х3).
За керовані фактори при подрібнені зерна були вибрані такі: вилучення
борошна У1, % – найважливіший експлуатаційний показник подрібнювача;
65
його продуктивність У2, кг/год; середньозважений діаметр гранул У3, мкм
(характеризує дисперсний склад кінцевого продукту). Математична модель у
загальному виді матиме вигляд: Уі = f(Х1, Х2, Х3).
Локальну область оптимізаційного факторного простору визначали на
підґрунті із врахуванням ретельного аналізу апріорної інформації і
отриманих нами попередніх експериментальних результатів. Межі зміни
факторів для проведення експерименту представлені в таблиці 4 .6.
Таблиця 4.6 Діапазони факторного простору експерименту
Досліджувані фактори
кількість кут нахилу при-
обертів вала тискних кілець Кількість
Рівні Позначен
Х1, об/хв (вимірюється як рядів при-
факторів ня
різниця у висоті тискних
регулювальних кілець Х3,
шпильок) Х2, шт.
мм.
Нульовий
х0 600 15 5
і
рівень
Інтервал
100 3 1
варіювання і
Верхній
х + 700 18 6
і
рівень
Нижній
- 500 12 4
рівень х і
Оскільки задача складна, то вирішення її доцільно проводити з
використанням методології експериментально-статистичного моделювання, а
саме методу планування багатофакторного експерименту для вирішення
задач типу “Технологія-Властивість” [2]. Для опису технологічного процесу
борошномельного виробництва найчастіше використовують стохастичні
моделі, які подаються у вигляді поліномів різної степені 10.
66
Попередні дослідження показали, що вплив факторів на вихідні функції
має нелінійний характер, тому для математичного опису процесу було
використано поліном другого порядку.
Багатофакторний експеримент проводився за D- оптимальним планом,
вибраним із каталогу “Послідовні генеровані плани” Н.І. Вучкова (табл.4.7)
2. Його результати подані в таблиці 4.8.
Таблиця 4.7 Матриця планування експерименту за D- оптимальним планом
Фактор № досліду
и 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Х1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 0 0
Х2 -1 -1 +1 +1 0 0 -1 +1 0 0 0
Х3 +1 -1 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1 0
Таблиця 4.8 Результати експерименту
Критерії № досліду
оптимальності 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
20,0 9,0 3,0 7,8 14 37,8 38,5 32,4 26,3 35,3 39,2
У1, %
20,4 9,6 5,0 8,1 12 38,2 31,5 33,5 25,6 36,4 39,8
51,0 89,9 96,3 108,3 75 95,3 87,6 101,5 90,6 90,4 90,5
У2, кг/год 73,
50,0 91,0 96,0 109,0 96,2 88,1 102 91,2 91,1 91,2
0
140 75 210 45 180 72 102 126 134 52 91
У3, мкм
142 74 212 48 185 73,3 103 127,4 133 53,5 92,4
67
Процес подрібнення в кульковому млині здійснювали згідно
розробленої методики (див. розділ 2) і результати експериментів показали
добру повторюваність дослідів (табл. 4.8).
Опрацювання експериментальних даних з використанням
кореляційно-регресійного аналізу дозволило отримати рівняння регресії (4.2
– 4.4), які характеризують залежність загального вилучення борошна У1 та
продуктивності млина У
2, а також дисперсний склад кінцевого продукту
(середньозважений діаметр гранул) У3. Усі коефіцієнти рівняння регресії є
значущими.
У1 = 40,55+11,90·X1-3,20·X2+4,50·X3-0,53·X1·X2-1,43·X1·X3-13,48·X2·X3-
-14,98·X 2
1 -5,28·X 2
2 -10,08·X 2
3 ; (4.2)
У2 = 91,74+10,15 X1+6,20 X2-0,10·X3-6,63 X1X2+9,73 X1·X3+2,57 X2 ·X3-
-6,90 X 2 2 2
1 +3,25 X2 -1,55 X3 ; (4.3)
У3 =105,70-54,00 X1+12,00 X2-41,00·X3+16,00 X1·X2 – 2,00 X1 ·X3 –
-3,50 X2 ·X3+19,13 X 2
1 +7,13 X 2
2 -13,87 X 2
3 (4.4)
Перевірка адекватності математичних рівнянь проводилось за
критерієм Фішера (табл. 4.9).
Отримані моделі дозволяють не лише знаходити раціональні
конструктивні параметри подрібнювача для отримання якісного кінцевого
продукту, а також одержати графічні інтерпретації моделей в
навколооптимальній області у вигляді поверхонь відгуків рис. 4.15. Кожна
точка відповідає шуканому критерію оптимальності при певних значеннях
керованих факторів. Для практичного використання побудовані графічні
інтерпретації на площині при стабілізації одного із трьох факторів Х1, Х2, Х3
(рис. 4.16 – 4.18).
68
Таблиця 4.9 Перевірка адекватності отриманих математичних моделей
Критерій Фішера
Керовани
й фактор Розрахунко Таблич- Довірчі інтервали коефіцієнтів моделі
вий ний
39.5053 < 1-й коефіцієнт < 41.5903
10.5637 < 2-й коефіцієнт < 13.2362
-4.5362 < 3-й коефіцієнт < -1.8637
3.1637 < 4-й коефіцієнт < 5.8362
-2.1615 < 5-й коефіцієнт < 1.1115
У1 0,3612 4.9600
-3.0615 < 6-й коефіцієнт < 0.2115
-15.1115 < 7-й коефіцієнт < -11.8384
-16.1992 < 8-й коефіцієнт < -13.7701
-6.4993 < 9-й коефіцієнт < -4.0702
-11.2992 < 10-й коефіцієнт < -8.8702
90.5205 < 1-й коефіцієнт < 92.9664
8.5825 < 2-й коефіцієнт < 11.7174
4.6325 < 3-й коефіцієнт < 7.7674
-1.6674 < 4-й коефіцієнт < 1.4674
-8.5447 < 5-й коефіцієнт < -4.7052
У2 0,2183 4.9600
7.8052 < 6-й коефіцієнт < 11.6447
0.6552 < 7-й коефіцієнт < 4.4947
-8.3289 < 8-й коефіцієнт < -5.4796
1.8209 < 9-й коефіцієнт < 4.6703
-2.9790 < 10-й коефіцієнт < -0.1297
103.5205 < 1-й коефіцієнт < 106.2664
-58.2983 < 2-й коефіцієнт < -51.1874
10.3253 < 3-й коефіцієнт < 15.2676
-45.1646 < 4-й коефіцієнт < -39.4676
15.5447 < 5-й коефіцієнт < 17.2052
У3 2,8567 4.9600
-3.0952 < 6-й коефіцієнт < -1.2644
-5.5982 < 7-й коефіцієнт < -2.4947
18.2898 < 8-й коефіцієнт < 20.4796
6.8209 < 9-й коефіцієнт < 8.6703
-14.7909 < 10-й коефіцієнт < -12.9704
69
На рисунку 4.10 зображена залежність вихідних факторів (У1; У2; У3)
від частоти обертання привідного вала (Х1) при стабілізації Х2; Х3 на
верхньому, нижньому і нульовому рівнях. Прийнявши певні значення 2; N
можна визначити оптимальні значення вилучення борошна (рис. 4.11 а),
продуктивності подрібнювача (рис. 4.11 б) та середньозваженого розміру
гранул (рис. 4.11 в) залежно від частоти обертання привідного вала.
Аналогічно, прийнявши значенням кута нахилу притискних кілець Х2 при
стабілізації Х1; Х3 можна знайти оптимальні значення керованих факторів.
Таким же способом отримуються керовані фактори залежно від
кількості притискних кілець при стабілізації Х1; Х2. Це дає можливість
сконструювати кульковий подрібнювач з оптимальними конструктивними
параметрами при найкращих можливих технологічних показниках.
При визначенні раціональних параметрів при оптимальному процесі
подрібнення в подрібнювачі в якості цільової функції прийняли максимальне
вилучення продукту, яке знайшли за комплексним методом Бокса-Уілсона
рівняння (4.2). В якості обмежень прийняли середньозважений діаметр
гранул і продуктивність подрібнювача. Граничні значення цих обмежень
прийняли із таких міркувань:
1) середньозважений діаметр гранул отриманого продукту повинен
бути в межах 60 ÷ 100 мкм [5];
2) продуктивність подрібнювача повинна бути по можливості
максимальною, на режимах з найбільшим вилученням продукту.
Максимальне значення вилучення продукту Yмах= 39,84% досягається
при значеннях змінних керованих факторів Х1=0, 095; Х2=-0,097; Х3=0,057,
що в перерахуванні в натуральні значення означає: nв=609,5 об/хв; різниця в
висоті шпильок ι=14,3 мм; кількість притискних кілець N= 5,2 шт.
Визначеним значенням керованих факторів та максимальному значенню
вилучення борошна відповідає значення продуктивності Ппр= 90кг/год, і яке
знаходиться з рівняння (4.3).
Y1 =39,84%
70
Y1 =
39,84%
а)
Y2 =90
кг/год
б)
Y3 = 101
мкм
в)
Рисунок 4.10 - Поверхня відгуку кр итеріїв оптимальності: а – процесу
вилучення борошна; б – продуктивност і подрібнювача; в – дисперсності
продукту залежно від частоти обертання привідного вала Х1, кута нахилу
притискних кілець Х2, кількості рядів прит искних кілець Х3.
71
Рівні
50
варіювання
40
1;1
30
0;0
20
-1; -1
10
0 Х2; Х3
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X1
а)
120 Рівні
варіювання
100
80 1;1
60 0;0
40 -1; -1
20
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X1
б)
Рівні
250 варіювання
200
150 1;1
0;0
100
-1; -1
50
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X1
в)
Рисунок 4.11 - Залежність вилучення борошна (а), продуктивності
млина (б), дисперсності продукту (в) від рівня фактору Х1 (частоти
обертання) при стабілізації конструктивних параметрів млина на різних
рівнях
Середньозважений Продуктивність млина, Вилучення борошна,%
розмір часточок, мкм кг/год
72
45
40
Рівні
35
варіювання
30
25 0;0
20 1;1
15
Х ;Х
10 1 3
5
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
Х2
а)
120
100 Рівні
80 варіювання
-1; -1
60 0; 0
1; 1
40
Х1;Х3
20
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
Х2
б)
250
Рівні
200 варіювання
150 -1; -1
0;0
100 1;1
50 Х1;Х3
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
Х2
в)
Рисунок 4.12 - Залежність вилучення борошна а), продуктивності
млина б), дисперсності продукту в) від рівня фактора Х2 (кута нахилу
Середньозважений розмір Продуктивність млина, кг/год Вилучення борошна,%
часточок, мкм
73
притискних кілець) при стабілізації обертів та кількості притискних кілець в
пакеті на різних рівнях
45
Рівні
40
варіювання
35
30
-1; -1
25
0;0
20
1;1
15
10
5 Х1;
0 Х2
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X3
а)
120 Рівні
варіювання
100
80
-1; -1
60 0;0
1;1
40
20
Х1;Х2
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X3
б)
250 Рівні
варіювання
200
150 -1; -1
0;0
100 1;1
50 Х1;Х2
0
-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1
X3
в)
Рисунок 4.13 - Залежність вилучення борошна а), продуктивності
млина б), дисперсності продукту в) від рівня фактору Х3 (кількості
Середньозважений розмір Продуктивність млина, кг/год
Вилучення борошна,%
часточок, мкм
74
притискних кілець в пакеті) при стабілізації обертів та кута нахилу
притискних кілець на різних рівнях.
Середньозважений діаметр гранул буде мати розмір Сгр= 101 мкм і
знаходяться з рівняння (4.4).
Таким чином, в конструкції кулькового подрібнювача приймаємо
наступні раціональні конструктивні параметри: оберти привідного вала
nв =610об/хв; кут нахилу притискного кільця 2 =5,41° та їх кількість
N = 5шт.
4.5 Оцінка ефективності процесу подрібнення в новому подрібнювачі
Інтенсифікація сучасних технологій подрібнення зернових продуктів та
підвищення ефективності процесу є найбільш перспективним і актуальним
напрямком удосконалення технології переробки при отриманні
дрібнодисперсних продуктів. Однак, надмірно тонке подрібнення ініціює
додаткові витрати електроенергії, знижує ефективність технологічного
обладнання та погіршує умови розсіювання продукту, що знижує його якість
та техніко-економічні показники обладнання 12.
Існує, по меншій мірі, п’ять основних взаємодоповнюючих параметрів-
характеристик за якими оцінюють технологічний рівень і економічну
доцільність використання подрібнювального обладнання. Серед них: якість
переробки зернового продукту, надійність, продуктивність, економічність та
ефективність роботи технологічного обладнання 3.
4.5.1. Енергоємність процесу подрібнення
Одним із основних показників роботи подрібнювача є його
енергоємність, яку можна описати за допомогою таких показників:
75
- потужність на привідному валу млина;
- питомі енерговитрати на одиницю продуктивності, кВт год/ т при
забезпеченні необхідних технологічних параметрів подрібненого
зернового продукту.
На рисунках 4.14, 4.15 приведені дані, які характеризують залежність
потужності на привідному валу від основних конструктивних характеристик
подрібнювача. Очевидно, що зі збільшенням кількості рядів кульок
потужність на валу збільшується, тому що в процесі подрібнення бере участь
більша кількість кульок.
З рисунку 4.14 видно, потужність при подрібненні зерна пшениці,
шрота амаранту та льону різні, що пов’язане із різними структурно-
механічними властивостями зернових продуктів.
N, Вт
2200
1800
1400
1000
600
200
1 2 3 4 5 6 7 8 m, шт
борошно шрот амаранту шрот льону
Рисунок 4.14 - Залежність потужності (N) від кількості рядів притискних
кілець (m)
У процесі дослідження впливу частоти обертання привідного валу на
зміну потужності виявилось, що зі збільшенням швидкості обертання
розмелювального кільця (рис. 4.20) потужність на валу також збільшується.
Це пояснюється збільшенням тиску кульки на продукт, що призводить
76
відповідно до збільшення сили стискання в точці контакту кульки і
розмелювального кільця, які є складовими сили тертя.
N, Вт
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
300 400 500 600 700 800
-1
борошно шрот амаранту шрот льону n, хв
Рисунок 4.15 - Залежність потужності (N) від обертів привідного вала (n)
Аналізуючи залежність потужності від кута нахилу притискних кілець,
зображену на (рис. 4.16), можна зробити висновок, що при куті більшому за
оптимальний (див. розділ 4.17) різко зростає потужність на привідному валу.
N, Вт
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
4 5 6 7
2,
борошно шрот амаранту шрот льону
Рисунок 4.16 - Залежність потужності (N) від кута нахилу притискних кілець
(2)
77
Це зростання обумовлене додатковими витратами енергії на
захоплювання і підняття більшої маси продукту та його подрібнення, а також
збільшенням сил тертя кульки по поверхнях кілець.
На рис 4.22 приведена залежність питомих енерговитрат від відсотку
вилучення кінцевого продукту на першій ступені подрібнення.
W, кВт год/т
10
5
0
15 20 25 30 35 40 45 50 U, %
борошно шрот амаранту шрот льону
Рисунок 4.17 - Залежність питомих енерговитрат (W) від вилучення
продукту із сировини (U)
Результати показують, що з збільшенням вилучення продукту питомі
енерговитрати постійно пропорційно зростають, а при досягненні вилучення
на рівні 42...47%, стрімко збільшуються, що пов’язане з опором подрібненню
дрібнодисперсної фракції помелу. Тому для повного подрібнення продукту і
зменшення енерговитрат доцільно постійно відсіювати дрібнодисперсну
фракцію помелу, піддаючи розмелюванню лише не повністю подрібненні
частинки.
78
4.5.2. Технологічні показники подрібнювача
Технологічна ефективність подрібнювальних машин крім
енергетичних показників оцінюється ступенем вилучення з сировини
готового продукту, його дисперсністю та якістю 14. Технологічна оцінка
помелу проводилась за середньозваженими діаметрами гранул і відсотковим
вилученням з сировини готового продукту.
Для досягнення загальноприйнятих показників ефективності
кулькового подрібнювача необхідно досягти максимального вилучення
продукту при необхідній його дисперсності 3. Незначне регулювання
дисперсності кінцевого продукту можна здійснювати за рахунок кута нахилу
притискних кілець.
Аналіз даних, приведених на рисунку 4.18 показує, що зі зменшенням
dср, мкм
200
175
150
125
100
75
50
25
0
4,9 5,4 5,9 6,4 2,
борошно шрот амаранту шрот льону
Рисунок 4.18 - Залежність середньозваженого діаметра гранул (dср) від кута
нахилу притискних кілець (2)
кута нахилу притискних кілець зменшується середньозважений діаметр
гранул кінцевого продукту, через те, що кульками захоплюється менша
кількість продукту, а кратність деформування подрібнюваних часток за один
79
і той же проміжок часу зростає, що призводить до більш інтенсивного їх
руйнування.
4.6 Конструктивна характеристика дослідно-промислового зразка
кулькового подрібнювача
Отримані результати досліджень по визначенню впливу
конструктивних параметрів млина на його енергетичні та технологічні
показники показують, що вони суттєво впливають на ефективність процесу
подрібнення 6. Налагоджувати млин потрібно з урахуванням структурно-
механічних властивостей подрібнюваних матеріалів та оптимального
співвідношення геометричних і конструктивних параметрів подрібнювача.
Розроблені математичні моделі (розділ 3) допомагають у кожному
конкретному випадку так налагодити машину, щоб забезпечити необхідну
швидкість транспортування сировини та правильно розподілити
навантаження на подрібнюваний продукт.
Загальний вигляд поданий на рис. 4.19, (а). Млин включає наступні
складальні одиниці: електродвигун; втулко-пальцева муфта;
подрібнювальний пристрій.
Подрібнювальний пристрій (рис. 4.19, б) складається із вертикального
циліндричного корпуса 1, всередині якого на валу 2 закріплений обертовий
стіл 3 з конічним розмелювальним кільцем 4. Конструктивно робоча
поверхня розмелювального кільця виконана під кутом 1 для рівномірного
переміщення продукту під час подрібнювання та створення складного
розмелювального руху кульок 5.
80
а
Рисунок 4.19 - Експериментальний кульковий подрібнювач: б
а – загальний вигляд;
б –схема конструкції робочої зони подрібнювача.
81
81
У верхній частині корпуса розміщена кришка 6, до якої за допомогою
механізму регулювання прикріплений набір притискних кілець 7.
Механізм регулювання забезпечує можливість зміни кута нахилу
притискних кілець 7 відносно вісі обертання на 0...15.
Притискні кільця збираються в пакет. Відстань між ними
забезпечується дистанційними втулками 8. Вона більша за діаметр кульки,
але менша суми її двох діаметрів. Весь пакет стягується болтами 9, які, в
свою чергу, закріплені за допомогою регулювальних болтів 10. Механізм
регулювання нахилу притискних кілець 7 працює таким чином.
Послаблюється контр-гайка 11 і, за допомогою регулювального болта 10,
змінюється його висота відносно кришки 6, забезпечуючи при цьому
необхідний кут нахилу притискних кілець. Після регулювання контр -
гайка фіксується. До верхньої частини корпуса кріпиться
завантажувальний бункер 13 з патрубком 14, а до нижньої -
розвантажувальний патрубок 15.
Привід подрібнювача призначений для передачі крутного моменту на
вал ротора. Він складається із закріпленого на фланці електродвигуна і
втулково-пальцевої муфти. Корпус подрібнювача є зварною конструкцією,
на якій закріплюються вузли подрібнювача і Складається із верхньої і
нижньої частин, з’єднаних болтами.
Подрібнювач працює наступним чином. Подрібнюваний продукт,
наприклад зерно, подається з бункера 13 через завантажувальний патрубок
14 з дозатором 16 і, за рахунок відцентрової сили, спочатку рівномірно
розподіляється по дну обертового стола 3, а потім надходить на конічну
робочу поверхню розмелювального кільця 4. При обертанні на валу 2,
стола 3 з розмелювальним кільцем 4 кульки 5, які знаходяться на поверхні
обертового стола, під дією відцентрової сили притискаються до нижньої
поверхні притискного кільця 7 і здійснюють одночасно обертовий рух в
горизонтальній площині і осцилюючий зворотньо - поступальний рух у
вертикальному напрямку. Пакет притискних кілець стягується стяжним
82
болтом 9 і гайкою 12, а зазор між ними забезпечується дистанційними
втулками 8. У верхній частині пакету знаходиться регулюючий гвинт 12,
який забезпечує вертикальне переміщення пакету і фіксується у
відповідному положенні контр - гайкою 11. Під дією відцентрової сили
кульки 5 притискаються до розмелювальних притискних кілець, і,
здійснюючи сповільнений обертовий рух в горизонтальній площині,
затягують під себе зерновий продукт, який подрібнюється за рахунок
осцилюючого зворотньо - поступального руху кульок у вертикальному
напрямку і під дією відцентрової сили відбувається вертикальне
переміщення подрібненого матеріалу по робочій поверхні конусоподібного
розмелювального кільця. По закінченню розмелювання продукт потрапляє
в розвантажувальний патрубок 15 і виводиться з пристрою.
4.7. Особливості конструкції притискного кільця подрібнювача
Нами показано, що найбільш суттєво на ефективність процесу
подрібнення впливає кут нахилу розмелювального кільця і кут нахилу
притискних кілець до горизонтальної нижньої поверхні обертового стола.
Притискні кільця призначені для забезпечення складного руху
кульки з заданими силовими характеристиками. Притискне кільце (рис.
4.20) має дві основні поверхні нижню, по якій відбувається
перекочування кульки в процесі подрібнення, і похилу торцеву верхню,
яка виводить кульки в робоче положення. Торцева поверхня кільця
притискає кульки до розмелювального кільця в момент пуску машини за
умови, що вона розташована під кутом 4 = 35...45 до горизонтальної
нижньої поверхні. Нижня площина притискного кільця розташована під
кутом 2 до поверхні стола і цей нахил забезпечується механізмом
регулювання млина. Вона виконана з буртом висотою h і шириною b,
який утримує кульку на робочій траєкторії під час зупинки млина.
83
Висота цього бурта залежить від діаметра кульки, висоти
дистанційних втулок та товщини притискного кільця. Оскільки відстань
між двома сусідніми кульками залежить від їх діаметрів і діаметра
розмелювального кільця, всередині якого встановлюється притискне
кільце, то її можна знайти, скориставшись рис. 4.12 і взявши до уваги
взаємозалежність розмірів. При діаметрі кульки 0,0254м ця відстань буде в
межах 0,017...0,025м.
2 Dпр
1
b
h
4
Рисунок 4.20 - Конструкція притискного кільця:
1 - нижня поверхня;
2 – верхня поверхня.
Висоту бурта можна розрахувати за формулою:
2
h=h – ( 1)dк, (4.5)
3
де h – відстань між двома сусідніми притискними кільцями, м;
84
dк – діаметр кульки, м.
Ширина бурта залежить від діаметра кульки і амплітуди її
осцилюючого руху відносно площини притискного кільця, яку можна
знайти з рівняння (А.3):
b = dk + Dроз sin2 tg1, (4.6)
де Dроз – діаметр розмелювального кільця в місті встановлення, м;
1 – кут нахилу розмелювального кільця, град;
2 – кут нахилу притискного кільця, град.
Діаметр притискного кільця залежить від висоти розташування в
чаші розмелювального кільця та діаметра кульок, тому кожне наступне
притискне кільце повинно бути більшим. Діаметр кільця повинен
забезпечити вихід помелу із зони подрібнення та безперешкодне
перекочування кульки по нижній поверхні притискного кільця. Його
можна знайти з рівняння:
Dпр = 1,2...1,3 ((Dроз (1+sin2 tg1) - dk ). (4.7)
85
ВИСНОВКИ
- теоретично обґрунтувано вибір кута нахилу кільця що
розмелює;
- здійснено розрахунок продуктивності кулькового подрібнювача з
врахуванням кута нахилу кільця що розмелює;
- експериментально підтверджено правильність вибору
раціонального кута нахилу розмелювального кільця;
- досліджено вплив інших конструктивних та кінематичних
параметрів кулькового подрібнювача на його робочі характеристики;
- здійснено дослідну перевірку адекватності формули для
визначення продуктивності подрібнювача;
- оцінено ефективність процесу подрібнення в новому
подрібнювачі;
- визначено особливості конструкції притискного кільця
подрібнювача.
86
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Говорущенко Н. Я. Удосконалення конструктивних параметрів
молоткової дробарки. Харків : ХНАДУ, 2011. 297 с.
2. Борисенко А. О. Борошномельне виробництво / Сучасні
технології. 2013. № 5. С. 46–51.
3. Комплексна механізація виробництва комбікормів: Навчальний
посібник / Ю. Ф. Гутаревич та ін. Київ : Арістей, 2008. 296с.
4. Вахламов В.К. Подрібнювачі: Основи конструкції: підручник для
студ. вищ. навч. закладів/В.К. Вахламов ,Харків : ХНАДУ, 2017. С. 41–42.
5. Практикум з теоріїподрібнення зерна: / за ред. О. І. Никифорук.
ДУ «Ін-т екон. та прогнозув. НАН України». Київ, 2018. 200с.
6. Волков, В.С. Покращення кондиціонування та подрібнення
пшениці Посібник/В.С. Волков. - ; Тернопіль: Інфра-Інженерія, 2019. - 200 с.
7. Говорущенко Н. Я., Туренко А. Н. : Дослідження дроблення і
подрібнення: конструкція, розрахунок та споживчі властивості. вид. 2-е вид.,
опрац. и доп. Харьков : РИО ХГАДТУ, 1999. 468 с.
8. Токарев А. А., Шмидт А. Г. Технічний сервіс харчових машин та
обладнання. Автомобильный транспорт. 1992. № 12. C. 11–14.
9. Безпека життєдіяльності: підручник Токарев А. А.: Київ, 2002.
224с.
10. Сахно В. П., Савостін-Косяк Д. О. Ремонт технологічного
обладнання. Вісник Національного університету харчування та трогівлі. Сер.
Технічні науки. Київ : НУХТ, 2017. Вип. 3. С. 141–15.
11. Основи моделювання процесів в харчових машинах: навч. посіб. /
В. 170 П. Сахно, А. В. Костенко, М. І. Загороднов та ін. Донецьк : «Ноулідж»,
2014. 444 с.
12. Гутаревич Ю. Ф., Корпач А.О., Говорун А.Г. . Слюсарні роботи:
навч. посіб. Київ : НТУ, 2013. 252 с.
13. Гутаревич Ю.Ф. Ремонт технологічного обладнання: підручник.
87
Київ : Вища школа, 1991. 179 с.
14. Технічна експлуатація харчового обладнання. Технологічні
розрахунки / Редзюк А. М. та ін. Харчовик України. Київ, 2010. № 2. С. 88–
97.
15. Rumpf H. Die mechanische Verjahrenstechnik auf dem Wissenschaft.
Rectoratsrede gehalten bei der Jahresfeiner am 3 Dezember 1966. Karisruhe,
Muller, 2004. – 23 s.
16. Thorsten G. Новые технологии кормления КРС. Из Ж. «Profi»,
2011, 02-03. – s. 102 – 105.
17. Berens D. Zerkleinerungmachinen // Chem. Ingr.-Techn., 2015. – Vol,
37, №7, P. 151–153.