Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Сергеев Николай Степанович. Центробежно-роторные измельчители фуражного зерна : диссертация ... доктора технических наук : 05.20.01 / Сергеев Николай Степанович; [Место защиты: ФГОУВПО "Челябинский государственный агроинженерный университет"]. - Челябинск, 2008. - 236 с. : 79 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Состояние проблемы по измельчению фуражного зерна и зада чи исследований 11

1.1 Зерновое сырье для производства комбикормов и требования к его измельчению 11

1.2 Технологические и кормовые свойства рапса 17

1.2.1 Рапс - культура больших потенциальных возможностей 17

1.2.2 Эффективность использования рапсовых кормов в рационах крупного рогатого скота 22

1.3 Анализ результатов научных исследований физико-механических свойств фуражного зерна 29

1.4 Конструктивные особенности технических средств по измельчению фуражного зерна 38

1.4.1 Основные факторы, влияющие на технологические показатели рабочего процесса в молотковых дробилках 45

1.4.2 Основные факторы, влияющие на технологические показатели рабочего процесса в центробежно-роторных аппаратах 51

1.5 Выводы, цель и задачи исследований 58

2 Теоретический анализ способов измельчения и обоснование высокоэффективных измельчающих устройств 61

2.1 Способы механического разрушения материалов 61

2.2 Теории измельчения материалов и их энергетическая оценка 65

2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы центробеж-но-роторного измельчителя 75

2.3.1 Теоретические исследования движения материальной точки по ротационным поверхностям 75

2.3.1.1 Движение частицы по ротационной плоскости, вращающейся вокруг вертикальной оси 76

2.3.1.2 Движение частицы по горизонтальному диску с вертикальной осью вращения и укрепленной на нем вертикально прямой лопаткой 82

2.3.2 Математическая модель движения зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя 88

2.3.3 Кинематика зерна в канале рабочего органа 95

2.4.0боснование рабочих органов, обеспечивающих процесс измельчения способом среза и скалывания 99

2.4.1 Классификация видов резания по технологическим признакам 100

2.4.2 Исследование контактного взаимодействия режущих элементов рабочих органов с измельчаемым материалом поляризационно-оптическим методом ." 104

2.4.3 Обоснование конструктивных параметров режущей пары рабочих органов измельчителя 109

2.5 Определение оптимального количества режущих элементов 113

2.6.Метод определения производительности измельчителя 116

2.7.0пределение потребной мощности измельчителя 120

2.8.Выводы 123

3 Методические основы экспериментальных исследований кон структивных параметров рабочих органов центробежно-роторного измельчителя 125

3.1 Характеристика измельчаемого материала 125

3.2 Исследование физико-механических свойств зерна 127

3.3 Исследование процесса резания зерна при статическом нагружении 130

3.4 Исследование процесса динамического резания зерен злаковых культур и семян рапса 131

3.5 Экспериментальная установка центробежно-роторного типа, измерительные приборы и аппаратура 137

3.6 Порядок проведения опытов 143

3.6.1 Определение полезной мощности 145

3.6.2 Определение производительности измельчителя 146

3.6.3 Определение гранулометрического состава измельченного зернового материала 147

3.6.4 Исследование кинематики зерна с использованием киносъемки 149

3.7 Исследование износа поверхности рабочих органов центробежно-роторного измельчителя 151

3.8 Исследование на износостойкость высокопрочного чугуна с целью его использования при изготовлении рабочих органов измельчителей 156

3.8.1 Описание экспериментальной установки 158

3.8.2 Порядок проведения исследований 160

3.9 Определение рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя фуражного зерна 161

3.9.1 Описание экспериментальной установки 161

3.9.2 Способ дополнительной регулировки модуля помола 163

3.9.3 Характеристика измельчаемого материала 164

3.9.4 Измерительные приборы и аппаратура 165

3.9.5 Определение полезной мощности установки 166

4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 167

4.1 Анализ физико-механических свойств измельчаемого зерна 167

4.2 Влияние конструктивных параметров режущих элементов и влажности зерна на усилие резания при статическом нагружении 167

4.2.1 Влияние угла заточки режущих элементов на усилие резания 167

4.2.2 Влияние влажности зерна на усилие резания 170

4.3 Влияние скорости резания и конструктивных параметров режущих элементов на усилие резания зерна 173

4.4 Влияние количества режущих элементов рабочих органов на качество измельчения 179

4.5 Влияние скорости вращения роторов измельчителя на модуль помола и удельную энергоемкость рабочего процесса 186

4.6 Результаты исследований износа поверхностей рабочих органов измельчителя 191

4.7 Результаты экспериментальных исследований по определению износостойкости материала рабочих органов измельчителя 194

4.8 Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя 199

4.8.1 Технико-экономическое обоснование исследований 202

4.9 Выводы 208

5 Производственная проверка и экономическая эффективность использовании центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна в сельскохозяйственном производстве 210

5.1 Результаты производственных испытаний 210

5.1.1 Рекомендации по расчету дополнительной прибыли от использования рапсовой муки в рационе дойных коров

5.2 Результаты применения центробежно-роторной установки для измельчения электрокорунда 219

5.3 Экономическая эффективность использования центробежно-роторных измельчителей в сельскохозяйственном производстве 221

5.3.1 Эффективность использования измельчителя ИЛС-5 по критерию энергетических затрат 222

5 3.2 Экономическая эффективность использования измельчителя фуражного зерна в стоимостной форме 225

Выводы 232

Общие выводы 235

Список литературы 237

Приложения 259 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Для достижения высоких экономических показателей в животноводческой отрасли кормовой рацион должен содержать определенный набор веществ, полностью удовлетворяющий потребности организма животного в питательных веществах. Это возможно путем приготовления полноценных комбикормов, доля которых в рационе кормления составляет: для птицы 95...100, свиней – 85...90, КРС – 24..30%. Поэтому производство комбикормов является важной отраслью сельского хозяйства.

Ответственной и энергоемкой технологической операцией в приготовлении комбикормов является измельчение зерна. За счет измельчения ингредиентов увеличивается площадь поверхности зернового материала, улучшается взаимодействие корма с пищеварительными ферментами, снижается энергоемкость продукции и повышается качество смешивания компонентов. Однако тонкое измельчение увеличивает энергетические затраты, а мучнистые компоненты вызывают заболевания животных, особенно свиней. Измельчение занимает 50% от общих энерго- и трудозатрат в приготовлении комбикормов.

На животноводческих фермах, комбикормовых заводах, перерабатывающих предприятиях широко используются молотковые и ударно-центробежные дробилки и измельчители, имеющие ряд существующих недостатков. При тонком измельчении содержание пылевидной фракции составляет до 30%, при грубом получается до 20% недоизмельченной фракции. Это приводит к повышению энергоемкости процесса измельчения и ухудшению качества готового продукта.

Теоретические исследования и традиционные конструктивные решения по данной проблеме не могут в полном объеме обеспечить коренное совершенствование технологического процесса. Поэтому исследования и разработка конструктивных решений, направленных на совершенствование рабочих органов с целью повышения качества готового продукта и снижения удельной энергоемкости в 1,5…2,0 раза, пылевидной фракции в 3…4 раза, являются актуальной проблемой и имеют важное народнохозяйственное значение.

Вытекающая из этого научно-техническая проблема заключается в создании научных основ разработки центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна нового класса.

Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г., а также межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2001 г. и тематическим планам НИР ЧГАУ на 1993-2005 гг.

Цель исследований. Повышение эффективности процесса измельчения на основе изыскания рабочих органов и разработки методик расчета основных параметров измельчителей при их конструировании.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать основные принципы и методы инженерных расчетов механико-технологических процессов измельчения семян рапса и фуражного зерна способом резания и скалывания в центробежно-роторных аппаратах.

2. Исследовать:

– закономерности динамического и кинематического взаимодействия зерновки с режущими элементами рабочих органов;

– зависимость длины канала рабочего органа центробежно-роторного аппарата от частоты вращения диска-ротора при рациональных скоростях резания и скалывания;

– зависимость усилия динамического резания целых зерен при различных углах заточки и защемления режущих элементов;

– зависимость модуля помола от количества режущих элементов измельчающих пар рабочих органов при рациональных скоростях динамического резания;

– зависимость модуля помола и удельной энергоемкости процесса измельчения от угловой скорости рабочих органов;

– износостойкость режущих элементов рабочих органов и дать рекомендации по их проектированию.

3. Установить зависимость модуля помола и удельной энергоемкости процесса измельчения от влажности зерна;

4. Создать центробежно-роторные измельчители разной производительности на основе оптимизации рабочих органов и технологии измельчения с учетом физико-механических свойств исходного материала.

5. Разработать опытные образцы измельчителей, провести производственные и государственные испытания, дать технико - экономическую оценку результатам исследований.

Объект исследований. Технологический процесс взаимодействия измельчающих элементов рабочих органов с перерабатываемым сырьем в измельчителе центробежно-роторного типа.

Предмет исследований. Закономерности, условия и режимы функционирования измельчителей, характеризующие процесс разрушения зерна способом среза и скалывания.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, математики и математического моделирования. Предложенные рабочие органы измельчителя испытывались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производст-венных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%, погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна

1. Установлены закономерности динамического и кинематического взаимодействия семян и зерна с режущими элементами рабочих органов центробежно-роторного измельчителя, при этом срез (скалывание) происходит поперек зерна по минимальному сечению, что соответствует теории резания В.П. Горячкина.

2. Впервые получена система дифференциальных уравнений, описывающая поступательное и вращательное движение зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя.

3. Впервые в центробежно-роторных аппаратах применен способ резания и скалывания для измельчения семян рапса и фуражного зерна, обеспечивающий получение готового продукта высокого качества;

4. Разработаны модели и методика расчета рациональных параметров рабочих органов измельчителя.

5. Обоснованы конструктивные параметры измельчающих элементов рабочих органов центробежно-роторного измельчителя.

6. Получены следующие научные результаты:

– процесс измельчения зернового материала осуществляется с минимальным удельным расходом энергии;

– изыскана возможность измельчения семян масличных и высокобелковых культур (рапса, горчицы, расторопши, кориандра, амаранта, сои, гороха, и др.) с получением готового продукта без выделения жира и с хорошей сыпучестью;

7. Разработаны научные основы создания и проектирования центробежно-роторных измельчителей для переработки фуражного зерна и семян масличных культур.

8. Разработана методика инженерных расчетов рабочих органов и конструктивно-технологических параметров центробежно-роторных измельчителей нового класса.

Научная новизна и достоверность результатов работы подтверждены 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, результатами производственных и государственных испытаний, на базе которых созданы высокоэффективные центробежно-роторные измельчители фуражного зерна и семян масличных культур, позволяющие существенно снизить удельную энерго- и металлоемкость процесса измельчения.

Практическая ценность. Обобщена и развита теория и практика разрушения зерна способом резания и скалывания, разработаны механико-технологические основы создания и проектирования измельчителей центробежно-роторного типа, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением пылевидной фракции в 3…4 раза, удельной энерго- и металлоемкости в 1,5…2,0 раза по сравнению с существующей технологией измельчения фуражного зерна. Впервые получена возможность измельчения семен масличных культур, в частности рапса, с жирностью до 50%, без выделения жира. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для комбикормового производства.

Разработанные образцы измельчителей прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для измельчения фуражного зерна, семян масличных культур и других сыпучих материалов.

Реализация результатов исследований. Разработанная методика инженерных расчетов основных параметров центробежно-роторных измельчителей и техническая документация на их изготовление переданы на заводы Кировской области – ПО «Кировагропромремонт», г. Киров, АОЗТ «Нолинский ремонтно-механический завод», г. Нолинск; Челябинской области – АОЗТ «Агромаш», г. Челябинск, ФГУП «Приборостроительный завод», г. Трехгорный.

Опытные образцы измельчителей прошли производственную проверку и государственные испытания на Кировской МИС в г. Кирове, Поволжской МИС г. Кинеле и Центре сертификации электрооборудования АООТ «Электропривод» в г. Москве.

С 1990 года заводами Челябинской и Кировской областей выпущено более 5000 штук измельчителей четырех модификаций производительностью от 0,1 до 5,0 т/ч (ИЛС-0,1; ИЛС-0,15; ИЛС-0,5; ИЛС-5,0). В 1999 году измельчители включены в Систему технологии машин, в 2000 году – в каталоги «Машины и оборудование для АПК». Они нашли применение в сельском хозяйстве, пищевой, строительной, перерабатывающей и других отраслях народного хозяйства.

Результаты научной работы используются в учебном процессе агроинженерных факультетов вузов Минсельхоза России. Отдельные разделы диссертационной работыиспользуются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Промышленные образцы центробежно-роторных измельчителей ИЛС изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

научные основы расчета и проектирования центробежно-роторных измельчителей для переработки фуражного зерна и семян масличных культур;

методика инженерных расчетов рабочих органов и конструктивно-технологических параметров центробежно-роторных измельчителей нового типа;

результаты экспериментальных исследований по оптимизации геометрических параметров рабочих органов и конструктивно-технологической схемы измельчителя;

новые технологические и технические решения по созданию машин и оборудования для измельчения фуражного зерна, семян рапса, горчицы, расторопши, кориандра, амаранта и других культур;

результаты энергетической и экономической оценки энергосберегающего процесса измельчения фуражного зерна и семян масличных культур.

Апробация. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях Челябинского ГАУ и Свердловской ГСХА (1989...2007 гг.), семинаре заведующих кафедрами МЖ в МИИСП (2002 г.), 9-й международной научно-практической конференции ВНИИМЖ (2006 г.), научно-технических советах: ПО «Кировагропромремонт», АООТ «Нолинский ремонтно-механический завод» Кировской области (1989, 1991гг.); «Приборостроительный завод» г.Трехгорный (1992, 1996, 1998 гг.), завод «Агромаш» Челябинской области (1992...1995 гг.). Опытные образцы центробежно-роторных измельчителей демонстрировались на ВДНХ СССР (1988, 1989 гг.), где были награждены тремя золотыми и одной серебряной медалями, на агропромышленной выставке в городе Львове (1992 г.), региональной выставке-ярмарке «Урал-конверсия, наука, бизнес-94» в городе Екатеринбурге (1994 г.), на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций ВВЦ (2006 г.), международной выставке-ярмарке «Лучшее оборудование и технологии для малого бизнеса» ВВЦ (2006 г.), 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» ВВЦ (2006 г.), международной выставке «Агро-2006» в городе Челябинске, где были также награждены дипломами и медалями.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 65 научных работах, в том числе 11, опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации 315 стр., в том числе 258 стр. основного текста, 102 рисунка, 32 таблицы; список литературы включает в себя 250 наименований, в том числе 11 на иностранных языках.

Подобные работы
Абрамов Александр Александрович
Обоснование параметров и режимов работы измельчителя зерна скалывающего типа
Филин Виктор Михайлович
Обоснование процесса работы и параметров роторного дробильно-шелушильного измельчителя зерна для фермерских хозяйств
Левин Алексей Михайлович
Обоснование конструктивно-режимных параметров вибрационно-ударного измельчителя фуражного зерна
Балданов Мунко Базарович
Обоснование параметров малогабаритного молоткового измельчителя фуражного зерна
Карташев Борис Викторович
Обоснование основных параметров измельчителя фуражного зерна роторно-ножевого типа

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net