Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Плющение зерновых материалов в клиновидном зазоре, образованном неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями
Основные положения
Актуальность исследования.
Плющение зерновых материалов находит широкое применение в агропромышленном комплексе. Оно используется в комбикормовом производстве для обработки зерновых компонентов комбикормов, в технологии плющения и консервирования фуражного зерна, на мини-мельницах как предсистема перед I драной системой и при производстве крупяных хлопьев.
Основной машиной для плющения зерновых материалов является плющильный вальцовый станок. Плющение в нем происходит в клиновидном зазоре между двумя параллельными валками, вращающимися навстречу друг другу с одинаковыми окружными скоростями или с небольшим дифференциалом. Основным недостатком плющильных станков является высокое энергопотребление на единицу производительности.
Таким образом, исследования, направленные на снижение энергоемкости процесса плющения зерновых материалов, являются актуальной научной задачей.
Цель диссертационной работы: повышение технологической эффективности процесса плющения зерновых материалов (на основе зерна пшеницы).
Научная гипотеза.
Повышение эффективности процесса плющения зерновых материалов обеспечивается тем, что в результате неподвижности зерновок на опорной поверхности они деформируются преимущественно по толщине, что является наиболее энергоэффективным направлением сжатия, а привод одного рабочего органа снижает энергоемкость процесса плющения за счет отсутствия потерь энергии в передаточных механизмах и холостом ходе второго рабочего органа.
Объект исследования - процесс плющения зерновых материалов в клиновидном зазоре, образованном неподвижной криволинейной поверхностью и колеблющейся, совершающей вращение на оси за счет фрикционных сил, возникающих при взаимодействии с обрабатываемым продуктом.
Предмет исследования - закономерности формирования продуктов плющения зерновых материалов в клиновидном зазоре между неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями.
Научная новизна.
1) Разработан способ и установлены закономерности деформации зерновых материалов посредством взаимодействия цилиндра, свободно вращающегося на оси и совершающего маятниковые колебания, и неподвижной опорной поверхности большего радиуса.
2) Установлено, что воздействие рабочих органов маятниковой плющильной установки на зерновой материал, неподвижно расположенный на опорной поверхности, определяет характер его разрушения преимущественно в одном направлении, что обеспечивает снижение энергозатрат в сравнении с другими направлениями сжатия и получение однородных хлопьев.
Практическая значимость исследования.
1) Теоретические результаты работы позволяют производить расчет геометрических и технических параметров рабочих органов для разработки плющильного станка.
2) Выявленные закономерности процесса плющения зерна пшеницы на маятниковой установке позволяют выбрать наиболее эффективные технологические параметры плющения зерновых материалов данным способом.
3) Результаты исследования используются в учебной программе и тематике выпускных квалификационных работ по специальности 260601 - «Машины и аппараты пищевых производств».
4) Разработана и запатентована конструкция устройства для плющения зерна, что позволило сформировать техническое задание и заключить договор с промышленной группой «Строителев» (г. Барнаул) на проектирование и изготовление маятникового плющильного станка производительностью 1,8 т/ч.
Положения, выносимые на защиту.
1) Математическая модель движения криволинейной колеблющейся поверхности при взаимодействии с обрабатываемым продуктом.
2) Теоретические исследования, определяющие геометрические параметры рабочих органов маятниковой плющильной установки, обеспечивающих рабочий процесс и заданную производительность, а также энергоемкость процесса плющения.
3) Экспериментальные исследования, определяющие направление выбора рациональных технологических параметров плющения зерновых материалов на установке маятникового типа.
4) Экономическое обоснование эффективности использования маятниковой плющильной установки с производительностью 1,8 т/ч.
Апробация результатов исследования.
Основные положения по результатам исследования докладывались на научно-практических (г. Барнаул, 2006, 2009 гг.) и научно-технической (г. Барнаул, 2009 г.) конференциях.
Публикации.
По основным результатам научных исследований опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент РФ на изобретение.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и библиографического списка, включающего 90 источников. Объем диссертации составляет 152 страницы, из них 37 рисунков, 28 таблиц.
Содержание работы
технологический плющение зерновой маятниковый
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, отмечена научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу современных технологий и технических средств плющения зерна. В ходе рассмотрения существующих технологий плющения зерна было выявлено, что в переработке зерновых материалов плющение используется для различных целей и задач: для обработки зерновых компонентов комбикормов или фуражного зерна непосредственно перед его раздачей животным в фермерских хозяйствах; в технологии плющения и консервирования фуражного зерна; на сельских мини-мельницах для предварительного разрушения зерна пшеницы перед направлением его на драные системы в сокращенных схемах сортовых помолов или при помолах ржи; в производстве крупяных хлопьев, мюсли, быстроразваривающихся круп и круп, не требующих варки.
Проведен анализ деформирующих и измельчающих машин, который показал, что они классифицируются, в основном, по принципу воздействия рабочих органов на разрушаемый материал: это может быть сжатие, сдвиг, удар, истирание или комбинация этих деформаций. Плющильный вальцовый станок относится к машинам, воздействующим на продукт сжатием.
В ходе рассмотрения теории плющения зерна в вальцовых станках и анализа современных конструкций плющильных станков были выделены их недостатки:
- большой диаметр рабочих вальцов при небольшой их длине, что вызвано требованиями обеспечения высокой жесткости вальцов в связи с их прогибом из-за значительных распорных усилий при деформации сжатия зернового материала;
- привод двух подвижных рабочих органов;
- значительная мощность привода; по данным НПО «Агро-Симо-Машбуд», в плющильном станке их производства производительностью 1,0-1,3 т/ч каждый валец имеет индивидуальный привод мощностью до 11кВт; для сравнения мощность привода одной половины мельничного вальцового станка составляет 18,5кВт при производительности не менее 3,3 т/ч.
Были изучены конструкции и принцип действия маятниковых устройств. К ним относятся: маятниковый копер Шарпи для определения сопротивления материалов удару, баллистический маятник для определения скорости снаряда, а также маятниковые копры В.Я. Гиршсона и В.В. Вашкевича для выявления механической характеристики зерна в процессе разрушения. Существующие сегодня конструкции маятникового типа являются лабораторными приборами, не предназначенными для промышленного использования.
В результате анализа теории деформирования зерна в вальцовых станках, современных технологий плющения и конструкций плющильных станков были обозначены задачи диссертационной работы:
1) Разработать способ и установить закономерности деформационного воздействия на зерновой материал в процессе плющения в клиновидном зазоре между неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями.
2) На основе теоретических исследований обосновать и выбрать конструктивные параметры неподвижной и колеблющейся криволинейных поверхностей, обеспечивающих рабочий процесс и заданную производительность установки для плющения зерна маятникового типа.
3) Определить влияние различных технологических параметров на процесс плющения зерновых материалов посредством маятниковой плющильной установки.
4) Дать технико-экономическую оценку эффективности применения маятниковой плющильной установки с производительностью 1,8 т/ч.
Во второй главе приводится описание схемы и принципа действия установки для плющения зерна маятникового типа и исследуется процесс плющения зерна в клиновидном зазоре между неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями.
Установка для плющения зерновых материалов (рисунок 1) работает следующим образом. Маятник, состоящий из цилиндра 6, закрепленного подвижной связью в подвесе 5, установлен на оси 7 над неподвижной опорной поверхностью 3 с регулируемым зазором. Маятник имеет возможность совершать колебания с амплитудно-частотной характеристикой А0, 0. Цилиндр совершает одновременно колебания с амплитудно-частотной характеристикой маятника и вращение вокруг своей оси с частотной характеристикой 1. Опорная поверхность и цилиндр имеют определенную шероховатость и кривизну.
1, 2 - направления подачи исходного продукта и вывода продуктов плющения; 3 - опорная поверхность; 4 - зерновка; 5 - подвес цилиндра; 6 - цилиндр; 7 - ось подвеса маятника; 8 - лоток для сбора продуктов плющения
Рисунок 1. Функциональная схема установки для плющения зерна маятникового типа
Зерновой материал 4 подается на опорную поверхность непосредственно в зону плющения. По ходу движения цилиндра вправо зерновой материал поступает по направлению 1. Цилиндр, проходя над зерновым материалом, воздействует на него и за счет возникающих между ними сил трения поворачивается вокруг своей оси в сторону, противоположную своему колебательному движению. Таким образом, в рабочей зоне контакта цилиндра с зерновым материалом возникает мгновенный центр скоростей, и усилие, с которым цилиндр действует на зерновой материал, сводится к усилиям сжатия. Продукты плющения выводятся по направлению 1 в лоток 8. При движении цилиндра влево зерновой материал поступает и выводится по направлению 2.
Было проведено изучение процесса плющения зерновки в клиновидном зазоре между неподвижной опорной поверхностью и вращающимся цилиндром.
Система подвес-цилиндр является физическим маятником, его движение при свободных затухающих колебаниях, описывается известным уравнением:
, (1)
где А0 - начальная амплитуда колебаний в момент времени t=0, определяемая начальным запасом полной энергии колеблющегося тела, м;
е - основание натуральных логарифмов;
в - коэффициент затухания;
t - время, с;
щ - циклическая (круговая) частота затухающих колебаний физического маятника, рад/с;
0 - начальная фаза колебаний, рад.
При взаимодействии цилиндра с зерном, неподвижно расположенным на опорной поверхности, между ними возникает сила трения. В этом случае дифференциальное уравнение движения маятника имеет вид:
, () (2)
, () (3)
где fз - коэффициент трения при затухающих колебаниях;
L - длина подвеса цилиндра, м;
IC - момент инерции маятника относительно оси качания, кг·м2;
m - масса маятника, кг;
Fт1 - сила трения между цилиндром и зерном, Н;
R1 - радиус цилиндра, м.
Сила трения направлена в сторону, противоположную направлению скорости тела, поэтому дифференциальное уравнение движения маятника имеет два вида. Было установлено, что сила трения качения цилиндра зависит от силы сопротивления зерна разрушению, т.е. от величины деформации зерна:
, (4)
где fк - коэффициент трения качения;
N - сила сопротивления зерна разрушению, Н.
При захвате цилиндром зерновки (рисунок 2) происходит ее деформация от нуля до максимального значения по мере поворота маятника вокруг оси С.
Для определения зависимости деформации зерновки от угла поворота маятника использовался аналитический способ кинематического анализа механизмов. Для этого система маятник-зерновка была представлена в виде кривошипно-ползунного механизма. Это возможно, если условно принять, что деформация зерновки происходит по отрезку АЕ (рисунок 2), что идентично движению ползуна по неподвижной направляющей.
В результате последовательно выполненных вычислений была получена математическая зависимость деформации зерновки от угла поворота маятника:
(5)
Рисунок 2. Схема движения маятника при деформации цилиндром зерновки
Координаты уА, хА0 являются постоянными величинами и определяют положение зерновки на опорной поверхности. При выборе соответствующей зависимости напряжений в зерновке от ее деформации возможно установление зависимости силы трения между цилиндром и зерновкой от времени посредством уравнения (5) в процессе плющения.