Энергосберегающая технология и технические средства центробежного действия для обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения

На правах рукописи

Колобов Михаил Юрьевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

ЦЕНТРОБЕЖНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ

ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Рязань 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.К. Беляева».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Баусов Алексей Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Курдюмов Владимир Иванович;

доктор технических наук, профессор

Коновалов Владимир Викторович;

доктор технических наук, профессор

Ульянов Вячеслав Михайлович.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии).

Защита состоится «_5_»__октября___ 2010 г. в __9.00._ часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева».

Автореферат размещен на сайте ВАК [email protected] «_____» ___________ 2010 г.

Автореферат разослан «_____» ___________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.В. Шемякин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из решающих условий ускорения роста темпов производства животноводческой продукции, повышения ее качества и снижения себестоимости является кормовая база – обеспечение животных полноценными кормами, сбалансированными по питательности в соответствии с запланированной продуктивностью. Подготовка кормов к скармливанию и выбор технологического оборудования тесно связаны с принятой технологией содержания животных и качеством исходного кормового сырья. Доля кормов в общих затратах на производство продукции животноводства растет и составляет 60-75% себестоимости. Повышая эффективность использования кормов, можно оказать существенное влияние на снижение затрат на единицу продукции.

Измельчение является одним из наиболее энергоемких процессов при производстве комбикормов и кормосмесей и потребляет до 70% электроэнергии, затрачиваемой на весь технологический процесс. В зависимости от вида кормовых материалов и требований к измельченному продукту определяются тип машин и параметры их рабочих органов. Для измельчения зернового сырья применяют различные по конструктивному исполнению молотковые дробилки. При тонком измельчении эти дробилки дают до 30% пылевидной фракции, а при грубом – до 20% недоизмельченной фракции. Переизмельчение ведет к дополнительным потерям энергии, поэтому дробилки потребляют до 15 кВт·ч на 1 т измельченного продукта.

При дроблении зерна разрушается твердая оболочка, облегчается разжевывание, питательные вещества делаются более доступными пищеварительным сокам, в результате они наиболее полно и без потерь используются. Измельченное зерно легче перемешивается с другими кормами. Степень измельчения устанавливают в зависимости от качества корма, вида и возраста животных. Наряду с этим современные исследования в области кормления показывают, что следует не только обеспечить необходимую крупность частиц скармливаемого зерна, но и обеспечить выравненность частиц и необходимое распределение по крупности измельченного зернового корма. Экономически наиболее целесообразно создание измельчителей с эффективной классификацией материалов непосредственно в процессе их измельчения.

В отличие от молотковых дробилок, где измельчение осуществляется за счет удара рабочим органом по зерну, в центробежных измельчителях зерну придается движение, и оно разрушается о неподвижную или движущуюся преграду. Такие измельчители широко используются в ряде отраслей промышленности, позволяют вести процесс измельчения при относительно низких энергозатратах. Имеющиеся теоретические исследования по данной проблеме представлены применительно к конкретной машине и конкретному измельчаемому материалу.

В связи со сказанным большую актуальность приобретают вопросы обобщения имеющихся исследований и продолжение исследовательских и конструкторских работ по применению принципов центробежного разгона и удара зерна при измельчении зернофуража. Это определило необходимость разработки научных основ создания центробежных измельчителей фуражного зерна.

Особ­енностью процесса измельчения дисперсных мате­риалов является интенсивный износ ра­бочих органов дробилок, что естественно снижает надежность работы машин и приводит к допол­нительным затратам на изготовление и замену рабочих органов. Поэтому повышение надежности оборудования при измельчении дисперсных мате­риалов также являетс­я одной из акту­альных задач.

Повышение требований к качеству готовых кормосмесей потребовало создания смесителей более совершенных конструкций. Это, в свою очередь, вызвало необходимость детального изучения сущности процесса смешивания, его закономерностей.

Разработка и внедрение измельчающих машин высокоинтенсивного действия позволяет не только достичь определенной­ тонины помола, но и целенаправленно изменять физико-химич­еск­ие свойства обрабатываемого дисперсного материала. Несмотря на большое количество исследований, проведенных в области механической активации, в настоящее время теория, позволяющая с достаточно хорошей точностью прогнозировать ход процесса активирования дисперсных материалов, развита недостаточно.

Диссертационная работа выполнялась в рамках постановления ГКНТ СССР от 11.03.87 г. № 68 «Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов», в рамках межведомственной координационной программы на 2006-2010 годы «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» (распоряжение РАСХН № 22-16 от 17.06.02 г.), программы «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» (приказ Минсельхоза России № 342 от 25.06.07 г.).

Цель работы:

Повышение эффективности технологии обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения путем совершенствования технологических процессов и технических средств центробежного действия, обеспечивающих улучшение качества готового продукта, снижение энергетических и материальных затрат.

Объект исследований – технологические процессы и технические средства для обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения.

Предмет исследований – установление закономерностей и режимов функционирования измельчителей и смесителей центробежного действия.

Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись следующие теоретические и экспериментальные методы: основные законы механики (кинематики, динамики), дифференциальное и интегральное исчисление; численные методы; методы математической статистики, регрессионного анализа; термогравиметрические исследования, ИК-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс, контурный резонансный метод, рентгеноструктурный анализ, метод искусственных баз, оптическая и электронная микроскопия. Теоретические исследования подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных и производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%. Достоверность полученных материалов была обеспечена применением методов математической обработки и статистического анализа результатов исследований, планирования эксперимента и многофакторного анализа, пакетов математических программ для ПЭВМ: Statistica, MathCAD.

Научная новизна:

1. Предложена технология обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения с разработкой наиболее рациональных конструктивных схем измельчителей и смесителей центробежного действия, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат.

2. Разработаны теоретические положения по обоснованию конструктивно-технологических параметров разработанных измельчителей и смесителей центробежного действия.

3. На основании теории планирования эксперимента получены математические модели процессов измельчения и смешивания зерновых культур.

4. Разработана математическая модель процесса износа поверхностей разгонных и ударных элементов измельчителей центробежного действия.

5. Разработана математическая модель процесса механической активации дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств как в процессе ударного нагружения, так и с учетом релаксационных явлений, которая позволяет оптимизировать режимы активирования при получении материалов с заданными свойствами.

6. Результаты опытно-производственной проверки разработанных технических средств обработки дисперсных материалов.

Практ­ическая значимость работы и реализация результатов исследований:

1. На основании проведенных исследований разработана технология обработки дисперсных материалов, включающая технические средства центробежного действия, которые позволяют существенно снизить энергетические и материальные затраты. Разработаны научные основы создания и проектирования измельчителей и смесителей центробежного действия. Конструкции защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

2. Разработанное оборудование используется в технологии получения комбикормов (ЗАО ПО «Русь», СПК «Михеевский», ГУП ОПХ «Васильевское» Ивановской области), для активации полимерных материалов и смесей на основе полимеров в технологии получения тентовых материалов сельскохозяйственного назначения (Ивановский опытный завод «Искож»), для обработки наполнителей в технологии получения переплетных материалов и искусственных кож (Ивановский НИИПИК).

На защиту выносятся:

1. Технология обработки дисперсных материалов сельскохозяйствен-ного назначения.

2. Теоретическое обоснование конструктивно-технологических пара-метров измельчителей и смесителей центробежного действия.

3. Математическая модель процесса измельчения зерновых культур в измельчителе центробежного действия.

4. Математическая модель износа поверхностей рабочих элементов измельчителей центробежного действия.

5. Математическая модель процесса смешивания зерновых культур в смесителе непрерывного действия.

6. Математическая модель процесса активации дисперсных материалов в результате механической обработки.

7. Конструктивно-технологические схемы разработанных технических средств центробежного действия.

8. Результаты производственной проверки разработанных технических средств обработки дисперсных материалов.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на девяти Международных конференциях, на четырех Всесоюзных конференциях и семинарах и на восьми региональных и областных конференциях.

Научная разработка «Измельчитель фуражного зерна» была отмечена Грамотой и Золотой медалью на IV Ивановском инновационном салоне «ИННОВАЦИИ-2007», Дипломом на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.). Департамент сельского хозяйства и продовольствия Ивановской области рекомендует измельчитель фуражного зерна к использованию в хозяйствах Ивановской области.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 научных работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретения и 4 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и предложений, списка литературы (487 наименований) и приложений. Работа изложена на 367 страницах, содержит 112 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, указана научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ технологий приготовления комбикормов, конструкций измельчителей и смесителей центробежного действия. Рассмотрена теория работы измельчителей. Основное внимание уделено таким вопросам, как движение материальных потоков и расчет траекторий движения частиц материала в центробежных измельчителях, расчет оптимального количества рабочих элементов. Рассмотрены вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями процесса износа рабочих органов измельчителей. Проанализирован вопрос активации материалов в процессе измельчения и методы ее оценки.

Значительный вклад в решение вопросов совершенствования средств механизации и технологий приготовления кормовых смесей внесли В.Р. Алешкин, А.А. Артюшин, Б.И. Вагин, В.А. Ермичев, А.И. Завражнов, В.И. Земсков, Л.П. Карташов, В.Г. Коба, Г.М. Кукта, В.И. Курдюмов, П.И. Леонтьев, С.В. Мельников, В.Г. Мохнаткин, В.Ф. Некрашевич, П.М. Рощин, В.И. Сыроватка, В.А. Сысуев, И.Я. Федоренко и другие ученые.

Изучению вопроса измельчения зерна дробилками ударного действия посвящены работы В.Р. Алешкина, Н.Ф. Баранова, В.А. Денисова, А.И. Завражнова, С.В. Золотарева, Я.Н. Куприца, И.В. Макарова, С.В. Мельникова, В.Ю. Полищук, П.А. Савиных, В.И. Сыроватки, В.А. Сысуева, В.В. Труфанова, И.Я. Федоренко, М.И. Филатова и других исследователей.

Проблемой износа рабочих органов дробилок занимались такие ученые, как В.Н. Виноградов, И.Р. Клейс, В.Ф. Лоренц, В.П. Осокин, Г.М. Сорокин, М.М. Тененбаум, Х.Х. Ууэмыйс, М.И. Филатов и другие ученые.

Теоретические основы смешивания, а также разработки средств механизации приготовления кормовых смесей изложены в работах А.А. Александровского, А.М. Григорьева, А.И. Завражнова, А.П. Ивановой, В.Н. Иванца, Г.М. Кукты, Ю.И. Макарова, С.В. Мельникова, П.И. Огородникова, С.А. Соловьева, В.И. Сыроватки, И.Я. Федоренко и других исследователей.

Исследованиями процесса механоактивации дисперсных материалов занимались Е.Г. Аввакумов, Н.К. Барамбойм, В.Н. Блиничев, С.П. Бобков, В.В. Болдырев, Г.Г. Кочегаров, В.Г. Кулебакин, В.И. Молчанов, П.Ф. Овчинников, Г.П. Оскаленко, И.А. Хинт, Г.С. Ходаков и других ученых.

Анализ современного состояния проблемы позволил сформулировать научную проблему и цель работы. В соответствии с целью поставлены и решены следующие задачи исследований:

1) предложить технологию обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения с разработкой наиболее рациональных конструктивных схем измельчителей и смесителей центробежного действия, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат;

2) разработать теоретические положения по обоснованию конструктивно-технологических параметров измельчителей и смесителей центробежного действия;

3) разработать математическую модель процесса измельчения зерновых культур в измельчителе центробежного действия, определить оптимальные режимы его работы;

4) разработать математические модели износа поверхностей рабочих элементов измельчителей центробежного действия, исследовать картину износа плоского разгонного элемента;

5) разработать математическую модель процесса смешивания зерновых культур в смесителе непрерывного действия, определить оптимальные режимы его работы;

6) разработать математическую модель процесса активации дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств, как в процессе обработки, так и дальнейшем хранении, которая позволяет оптимизировать режимы активации при получении материалов с заданными свойствами;

7) провести экспериментальные исследования параметров и режимов работы разработанных технических средств в лабораторных условиях;

8) оценить результаты производственной проверки разработанных технических средств и экономическую эффективность от их использования.

Во втором разделе представлена конструктивно-технологическая схема установки для приготовления комбикормов в кормоцехах, предлагаемых технических средств с описанием принципа их работы. Приведено теоретическое исследование, на основе которого получены аналитические зависимости для расчета основных конструктивных и технологических параметров измельчителей и смесителей центробежного действия. Предложены математическая модель процесса износа рабочих органов измельчителя, математическая модель процесса активации дисперсных материалов.

Предлагаем технологию приготовления комбикормов на животноводческих фермах и комплексах, содержащую загрузочный бункер, измельчитель, транспортеры, бункеры-дозаторы, смеситель непрерывного действия, бункер-накопитель. Были разработаны измельчители и смеситель центробежного действия

Для измельчения фуражного зерна и исследований износа рабочих органов разработан измельчитель центробежного действия (рис. 1).

Измельчитель работает следующим образом. Подлежащие измельчению материалы поступают в бункер 10, откуда под действием сил тяжести через щель, перекрываемую подвижным шибером 13, который регулирует расход зерна, высыпаются в загрузочный патрубок 12. По этому патрубку 12 зерна соскальзывают к загрузочному окну 14 в крышке 9 и, увлекаемые потоком воздуха, поступают внутрь корпуса 2, попадают на плоские разгонные лопатки 4 и за счет центробежной силы приобретают ускорение. Затем материал ударяется о плиту 6 с отбойными элементами 7, где измельчается и отбрасывается на сита 8. Материал, прошедший через сито, удаляется из дробилки через выгрузочный патрубок 11. В зависимости от прочности и размера исходного материала подбирается оптимальные количество и расположение плит 6 с отбойными элементами 7 и сит 8, которые установлены в фиксаторах 5 и могут легко сменяться. Измельчитель может использоваться и без сит.

	1 – электродвигатель; 2 – корпус; 3 – ротор; 4 – элемент разгонный; 5 – фиксаторы; 6 – плита; 7 – элемент отбойный; 8 – сито; 9 – крышка; 10 – бункер; 11 – патрубок выгрузочный; 12 – патрубок загрузочный; 13 – шибер; 14 – окно загрузочное.
Рисунок 1. Измельчитель фуражного зерна

Для определения конструктивных параметров измельчителя необходимо рассчитать скорости и углы вылета измельчаемых частиц с поверхности плоского разгонного элемента (лопатки).

В центробежных измельчителях частицы материала начинают движение из центра вращающегося ротора, представляющего собой диск с радиальными разгонными элементами. Скорость вылета частицы с элемента находится как геометрическая сумма переносной и относительной скоростей.

Линейная скорость в переносном движении определяется из известного выражения:

(1)

Для нахождения относительной скорости частицы используем уравнение относительного движения материальной точки. После определенных преобразований уравнения движения и относительной скорости движения частицы запишем в виде:

(2)

, (3)

где l – расстояние от центра ротора до начала лопатки, м;

, – корни характеристического уравнения;

f – коэффициент трения;

t – время, с.

Отношение относительной скорости к переносной дает значение тангенса угла вылета частицы с плоского разгонного элемента:

(4)

Скорость вылета частицы:

(5)

Расчет необходимого количества плоских разгонных элементов центробежных измельчителей проводим исходя из условия проникновения частицы на глубину, равную ее диаметру, в движущееся пространство между соседними элементами, что обеспечит гарантированный захват частицы движущимся разгонным элементом (рис. 2).

Пусть частица материала начинает падать из центра ротора с нулевой начальной относительной скоростью. Время, за которое частица приблизится к внутренней кромке разгонного элемента (точка А0), находящейся на расстоянии от центра ротора S1 = Rвн, может быть найдено из уравнения:

, (6)

где Rвн – радиус вращения внутренних кромок разгонных элементов, м;

g – ускорение свободно падающего тела, м/с2.

Рисунок 2. Схема для расчета количества разгонных элементов

Из условия проникновения частицы в зону между разгонными элементами на величину ее эквивалентного диаметра dэ (м), определим время t2, за которое частица под действием сил гравитации переместится на расстояние S2:

(7)

Разность величин t2 и t1 – величина времени проникновения частицы t в пространство между движущимися элементами, т. е. время перемещения частицы из точки А0 в точку А1:

(8)

Зная длину окружности L (м) радиусом Rвн, можем определить расстояние L (длину дуги), на которое переместится разгонный элемент за промежуток времени t:

, (9)

где z – число разгонных элементов;

k – толщина разгонного элемента, м.

Время перемещения разгонного элемента на расстояние L, при заданной величине угловой скорости найдем по формуле:

(10)

(11)

На основании равенства величин времени проникновения частицы в пространство между движущимися разгонными элементами и времени перемещения элемента на величину L приравняем правые части уравнений (8) и (11):

(12)

Преобразовав уравнение (12), получим формулу для расчета необходимого количества плоских разгонных элементов центробежных измельчителей:

. (13)

Определение необходимого количества ударных элементов (отбойников) проводим исходя из условия отсутствия проскока частиц измельчаемого материала. Это можно выполнить, зная скорости и углы вылета частиц измельчаемого материала с плоских разгонных элементов.

Частица материала (рис. 3) разгоняется по поверхности плоской лопатки центробежного измельчителя и вылетает под углом, определяемым из уравнения (4) со скоростью, рассчитываемой по уравнению (5).

Введем следующие обозначения: О – центр ротора, R1 и R2 – расстояние от центра ротора до середины соответственно плоской радиальной лопатки и ударного элемента (м), b1 и b2 – длина соответственно плоской радиальной лопатки и ударного элемента (м), DE = L – минимальное расстояние между двумя ударными элемента (м).

Для определения величины расстояния между ударными элементами DE, рассмотрим ОDE. Так как ОDE равнобедренный, то ОК является его высотой, биссектрисой и медианой.

Из ОDК определяем величину катета DК:

, (14)

где 4 – угол между боковыми гранями ударных элементов, град.

В выражении (2.26) неизвестной величиной является угол 4, который можно определить из ОBC и АОB:

(15)

Рисунок 3. Схема к расчету количества ударных элементов

Углы 2 и 1 можно определить из АОB и AОC. По теореме синусов:

(16)

где – угол вылета частицы, град.

(17)

(18)

(19)

Подставляя значения 2 и 1 в уравнение (15), получим:

(20)

Минимальное расстояние между двумя ударными элементами определяем по уравнению:

(21)

Количество ударных элементов в центробежном измельчителе определим:

, (22)

где – угол охвата ударными элементами, град.

Определены скорости вылета частиц с разгонного элемента, углы вылета, расстояние между ударными элементами, количество разгонных и ударных элементов.

Рассмотрен процесс взаимодействие измельчаемой частицы с поверхностью плоского разгонного элемента. Выделено три зоны контакта с движущейся частицей: удара, восстановления и разгона.

В качестве модели изнашивания поверхностей лопаток применяем гипотезу Престона:

, (23)

где с – коэффициент пропорциональности;

p – давление на поверхности контакта, Па;

Vr – относительная скорость измельчаемого материала, м/с;

t – время, с.

При движении частицы по плоскому разгонному элементу давление можно рассчитать:

, (24)

где N – нормальная реакция, Н;

Sч – площадь сечения частицы материала, м2.

, (25)

где Dч – диаметр частицы, м.

Сила реакции опоры N равна по модулю кориолисовой силе инерции Фк:

N = Фк== =

(26)

. (27)

. (28)

, (29)

где С – постоянная интегрирования.

Для нахождения постоянной интегрирования С, воспользуемся начальными условиями: при t = 0, = 0.

(30)

(31)

С целью интенсификации процессов измельчения и классификации материалов, а также совмещения их в одной машине, был разработан дезинтегратор с нетрадиционной механикой движения измельчаемого материала от периферии измельчителя к ее центру. В этом дезинтеграторе зоны интенсивного измельчения и классификации материала разделены.

На рисунке 4 показана схема ударного элемента с сепарационным каналом, который имеет форму полукольца.

Определен граничный диаметр частиц, классифицируемый в сепарационном канале дезинтегратора:

, (32)

где в – коэффициент динамической вязкости воздуха, кг/м·с;

Vв – скорость воздуха, м/с;

в – плотность воздуха, кг/м3;

– угловая скорость ротора, рад/с;

r – текущее значение радиуса, определяющего положение центра тяжести частицы, м.

Fц

Fцcos Fцsin

Fтр Fк R

Fа

a r r0

O

Рисунок 4. Схема для определения граничного диаметра частиц продукта

Под граничным диаметром будем понимать максимальный размер частиц готового продукта. Частицы, у которых диаметр больше граничного, будут разгоняться центробежными силами по стенке сепарационного канала и выбрасываться из него в зону измельчения, а у которых меньше граничного, будут подхватываться потоком воздуха и выноситься внутрь измельчителя в качестве готового продукта.

Зная физические свойства измельчаемого материала и несущей среды (воздуха), а также геометрические параметры дезинтегратора, можно путем изменения скорости воздуха в канале и частоты вращения ротора получать готовый продукт с гранулометрическим составом, имеющим заданную верхнюю границу.

Для приготовления смесей зерновых компонентов комбикормов разработан смеситель непрерывного действия (рис. 5).

1 – конус загрузочный; 2 – патрубок загрузочный; 3 – конус направляющий; 4 – крышка; 5 – корпус; 6,7 – прокладка; 8 – корпус смесителя;

9 – диск с лопатками,10 – электродвигатель; 11 – кожух защитный;

12 – лопатки направляющие; 13 – ось

Рисунок 5. Смеситель непрерывного действия

Смеситель работает следующим образом. Материалы, которые необходимо смешать, дозируются в загрузочный конус 1. Далее поток материалов поступает на направляющий конус 3. Сформировавшийся круговой поток материалов попадает под поток воздуха создаваемого диском с лопатками 9. За счет лопаток диска между защитным кожухом 11 и корпусом смесителя 8 создается закрученный поток материала и начинается его смешивание по площади поперечного сечения. Сухие микродобавки (при необходимости) поступают через центральный загрузочный патрубок 2 на вращающийся диск с лопатками. Окончательное перемешивание происходит за счет лопаток 12, закрепленных на свободно подвешенной оси 13.

Для определения количества лопаток на диске смесителя рассмотрим движение частицы материала по поверхности диска.

Материал попадает на равномерно вращающийся диск без начальной относительной скорости. Для определения траектории движения частицы материала по поверхности диска используем динамическую теорему Кориолиса.

, (33)

где m – масса частицы материала, кг;

аr – ускорение частицы материала в относительном движении, м/с2;

Р – сила тяжести, Н;

N – нормальная составляющая опорной реакции, Н;

Fтр – сила трения частицы материала о поверхность диска, Н;

Фе – переносная центробежная сила инерции, Н;

Фк – кориолисова сила инерции, Н.

Спроецируем векторное уравнение (33) на оси координат:

(34)

,

Тогда

(35)

(36)

Сделав ряд преобразований, получим законы движения частицы материала вдоль координатных осей:

(37)

Полученные численные значения величин х и у позволили построить траекторию движения частицы (рис. 6), попадающей на поверхность диска.

Траектория движения частицы материала по поверхности диска показана таким образом, что край движущейся частицы касается уходящей лопатки и продолжает движение до момента встречи с набегающей лопаткой. Количество лопаток на диске смесителя определяется из условия отсутствия проскока частиц (8 лопаток).

Рисунок 6. Траектория движения частицы материала по поверхности диска

Проведен расчет производительности смесителя непрерывного действия, что дает возможность определить конструктивные и режимные параметры машины. На рисунке 7 показана схема движения материала в зоне загрузки по наклонным плоскостям (поз. 1 и 3 рис. 5) в смесителе непрерывного действия.

Для определения скорости частиц в точках А, В и С применим теорему об изменении кинетической энергии точки:

, (38)

где - конечная кинетическая энергия частицы, Дж;

- начальная кинетическая энергия частицы, Дж;

- сумма работ всех сил, действующих на частицу, Дж.

Участок ОА:

(39)

(40)

(41)

Рисунок 7. Схема движения материала в смесителе

(42)

Подставим полученные результаты в уравнение (39):

(43)

(44)

Участок АВ:

(45)

Для определения скорости UA рассмотрим удар частицы о неподвижную поверхность (рис. 8).

где kвос – коэффициент восстановления при ударе, экспериментально определен и равен 0,4.

Рисунок 8. Схема для определения угла отражения

(46)

(47)

(48)

(49)

Подставим полученные результаты в уравнение (45):

(50)

(51)

Участок ВС:

(52)

(53)

(54)

(55)

Производительность смесителя непрерывного действия определим по формуле

Q = Vc ·S· =

(56)

где S – площадь поверхности монослоя материала в цилиндрической части смесителя, м2;

– плотность материала, кг/м3.

Получены конструктивные параметры машины.

Проведен расчет мощности, затрачиваемой на процесс смешивания в разработанном смесителе.

Мощность, затрачиваемая на процесс смешивания за счет создания воздушного турбулентного потока диском с лопатками, составит:

(57)

где Nд – мощность, затрачиваемая на холостой ход двигателя, Nд = 100 Вт, значение получено опытным путём при помощи измерительного комплекта К – 505;

Nтр – мощность, затрачиваемая на трение диска о воздух, Вт;

Nсж – мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха, Вт;

Nкэв – мощность, затрачиваемая лопатками диска на создание кинетической энергии потоку воздуха, Вт.

Мощность, затрачиваемую на трение диска о воздух определим по формуле:

(58)

где kр – коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса;

Vе – переносная скорость периферии диска, м/с;

Dд – диаметр диска, м;

в – плотность воздуха, в =1,293 кг/м3.

Мощность (Вт), затрачиваемую на сжатие воздуха, определим:

(59)

где Е – энергия политропного сжатия воздуха, Дж;

t – время движения воздуха по лопатке, с.

Мощность, затрачиваемую лопатками диска на создание кинетической энергии потоку воздуха, определим:

(60)

В разделе представлено математическое моделирование процесса активации материалов при обработке их в измельчителях ударного действия.

Накопление энергии в процессе обработки материала проявляется в изменении ряда его физико-химических характеристик. Для описания процесса механической активации приняли гипотезу утверждающую, что скорость изменения какой-либо физической величины, характеризующей свойство обрабатываемого материала, прямо пропорциональна его движущей силе. Представили наиболее характерные изменения произвольного свойства материала в процессе его механической обработки. В результате получили ряд математических моделей описывающих процесс активации. Остановимся на наиболее сложном варианте, в котором изменение свойств материала в процессе его активации проходит через максимум или минимум. Это указывает, что на изменение свойства материала оказывают влияние, по крайней мере, два явления. Одно из этих явлений приводит к увеличению рассматриваемой величины, другое - к ее уменьшению. Зачастую как рост, так и уменьшение изучаемой величины подчиняются экспоненциальному закону. В этом случае уравнение изменения исследуемой величины удобно представить в виде:

(61)

где Аk – максимально возможное значение приращения исследуемой величины за счет активации.

Использование уравнения (61) требует информации о значении величины Аk.

Введем понятие обратимой и необратимой части накопленной энергии, которые проявляются в изменении той или иной физической величины, характеризующей свойство обрабатываемого материала. Тогда необратимая часть энергии может быть определена экспериментальным путем, поскольку она не изменяется в процессе хранения обработанного продукта. Представим результаты экспериментальных исследований в следующем графическом виде (рис. 9).

А

А0

1

2

3

Рисунок 9. Условные результаты экспериментальных исследований

Кривая 1 (рис. 9) характеризует полное изменение исследуемой величины, значение которой определяется непосредственно после опыта. Кривая 2 характеризует значение этой же величины, измеренное после длительного времени хранения обработанного продукта, которое обеспечило полную релаксацию обратимой части накопленной энергии. Доля необратимой части энергии остается постоянной в процессе хранения, поэтому обработка кривых 1 и 2 позволяет графически построить кривую 3. Кривая 3 характеризует обратимую часть накопленной энергии. Построив кривую 3, можно определить значение Ак.

Рассмотрим вопрос о движущей силе процесса активации. Ее значение определяется скоростью нагружения обрабатываемого материала, то есть скоростью, с которой частица встречается с ударным элементом измельчителя. Однако, как показали эксперименты, существует некоторая "пороговая" скорость, до значения которой эффект механической активации практически не проявляется. Выразим движущую силу процесса в следующем виде:

(62)

где V – скорость встречи частицы материала с ударным элементом, м/с;

V0 – пороговая скорость, определяемая экспериментально (VV0), м/с; m – эмпирический коэффициент.

В уравнение (61) входит величина времени активации. В общем случае процесс активации в измельчителях ударного действия является дискретным, поэтому время активации удобно оценивать числом нагружений на частицу материала или числом операций. Тогда уравнение (61) можно представить в виде:

(63)

Предложенный подход применим и для других случаев, в которых накопление необратимой доли энергии подчиняется другим законам.

Известно, что энергия механической активации не остается постоянной после прекращения механической обработки, а убывает во время хранения обработанного материала по экспоненциальному закону.

В связи с этим зависимость исследуемого свойства активированного материала от времени хранения представим в виде:

(64)

где – текущее время, с;

р – постоянная времени процесса релаксации, с.

Величина р определяется графической обработкой опытных данных.

Таким образом, используя предложенную математическую модель процесса активации дисперсных материалов в измельчителях ударного действия, можно рассчитать значения исследуемых свойств активированного материала в любой момент времени после окончания обработки.

В третьем разделе изложена программа исследований технологических процессов (измельчение, износ, смешивание, активация) и технических средств обработки дисперсных материалов в лабораторных условиях. Приведено описание лабораторных установок, методик экспериментальных исследований.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований технологических процессов и технических средств обработки дисперсных материалов.

Экспериментальные исследования по измельчению зерновых культур проводили в измельчителе фуражного зерна (рис. 1). По предварительным опытам был выбран оптимальный угол охвата ударными элементами (отбойниками) – 1350. Ситовые решета не использовались.

В соответствии с уравнениями (1, 3-5, 13, 21-22), определены скорость и угол вылета частиц с радиальных разгонных лопаток, а также угол встречи частиц материала с ударными элементами в измельчителе, количество разгонных и ударных элементов, расстояние между ударными элементами

По результатам однофакторных исследований были определены интервалы и уровни варьирования факторов и реализована матрица плана эксперимента 33. В качестве независимых переменных использовались: Х1 – угол атаки, град.; Х2 – частота вращения ротора, мин-1.; Х3 – производительность измельчителя, кг/час. В качестве критериев оптимизации выбраны: Y1 – степень измельчения; Y2 – мощность, затраченная на процесс измельчения (Nр.х.–Nх.х.), Вт; Y3 – количество пылевидной фракции (< 0,2 мм), %; Y4 – количество неизмельченной фракции, %; Y5 – средний диаметр измельченных частиц, мм.

Получены адекватные математические модели:

– для пшеницы:

Y1 = 1,724671 – 0,036028Х1 – 0,071432Х12 + 0,188842Х2 –

– 0,015477Х22 – 0,05999Х3 – 0,015Х1Х2 (65)

Y2 = 662,7605 + 348,6605Х2 – 91,1263Х22 + 309,4754Х3 + 229,875Х2Х3 (66)

Y3 = 1,894043 – 0,235325Х1 – 0,305737Х12 + 0,747429Х2 +

+ 0,46035Х22 – 0,183186Х3 (67)

Y4 = 4,09758 + 0,18629Х1 + 0,5131Х12 – 2,59322Х2 +

+ 0,6075Х22 + 0,79256Х3 – 0,36078Х32 – 0,5325Х2Х3 (68)

Y5 = 1,73737 + 0,04007Х1 + 0,081163Х12 – 0,213469Х2 +

+ 0,040476Х22 + 0,068826Х3 – 0,025Х2Х3 (69)

– для ржи:

Y1 = 1,76467 – 0,047364Х1 – 0,072859Х12 + 0,181517Х2 –

– 0,058357Х3 – 0,026039Х32 (70)

Y2 = 515,9993 + 287,9123Х2 + 247,5791Х3 + 213,375Х2Х3 (71)

Y3 = 2,262325 – 0,246924Х1 – 0,696438Х12 + 0,534144Х2 – 0,206477Х3 (72)

Y4 = 0,772 + 0,41928Х12 – 1,27701Х2 + 0,7028Х22 +

+ 0,51548Х3 – 0,4425Х2Х3 (73)

Y5 = 1,698014 + 0,053163Х1 + 0,07601Х12 – 0,198565Х2 +

+ 0,047377Х22 + 0,065426Х3 + 0,029227Х32 – 0,025Х2Х3 (74)

– для овса:

Y1 = 1,51578 – 0,03638Х1 – 0,054823Х12 + 0,144882Х2 +

+ 0,028618Х22 – 0,090794Х3 – 0,019647Х32 – 0,03375Х2Х3 (75)

Y2 = 325,2828 + 34,4872Х12 + 148,6544Х2 – 46,0762Х22 +

+ 158,3702Х3 + 124,5Х2Х3 (76)

Y3 = 1,450965 – 0,091916Х1 – 0,296649Х12 + 0,37035Х2 –

– 0,279854Х3 + 0,095299Х32 – 0,16Х2Х3 (77)

Y4 = 5,07609 + 0,20299Х1 + 0,62951Х12 – 3,07078Х2 + 1,09538Х22 +

+ 0,97214Х3 – 0,30162Х32 – 0,10375Х1Х2 – 0,39125Х2Х3 (78)

Y5 = 1,975057 + 0,052373Х1 + 0,07763Х12 – 0,194268Х2 +

+ 0,120849Х3 + 0,033831Х32 + 0,0225Х2Х3 (79)

Графическое изображение поверхностей откликов (выборочно) показано на рисунках 10-12. Анализ полученных математических моделей и поверхностей отклика позволил выявить влияние исследуемых факторов на изучаемые параметры процесса измельчения.

После преобразования математических моделей (65-79) были получены функции отклика в натуральных значениях факторов (выборочно):

– для пшеницы:

Y1/ = – 0,498033 + 0,015901 – 0,0000792 + 0,000501n –

– 0,00000002n2 – 0,00012Q – 0,000001n (80)

Y2/ = – 2220,918134 + 1,123116n – 0,000137n2 –

– 1,970316Q + 0,000564nQ (81)

Y3/ = 10,606838 + 0,053303 – 0,000342 – 0,005445n +

+ 0,0000007n2 – 0,000366Q (82)

Y4/ = 33,004033 – 0,09641 + 0,000572 – 0,010271n +

+ 0,0000009n2 + 0,010469Q – 0,0000014Q2 – 0,0000013nQ (83)

Y5/ = 4,414447 – 0,014897 + 0,000092 – 0,000761n +

+ 0,00000006n2 + 0,00042Q – 0,00000006nQ (84)

В уравнениях (80-84) принято:

– угол атаки, град.;

n – частота вращения ротора, мин-1.;

Q – производительность измельчителя, кг/час.

Расчетные данные, полученные с помощью уравнений (65-84), хорошо согласуются с экспериментальными, расхождение соответствующих величин не превышает 3-10%.

Уравнения (67-69, 72-74, 77-79) наглядно показывают, что готовый продукт, получаемый на исследуемом измельчителе, достаточно выровнен по гранулометрическому составу. Удельный расход энергии на размол без учета энергии холостого хода измельчителя, приходящийся на единицу степени измельчения, (при частоте вращения ротора 5405 мин-1): для пшеницы – 0,5-0,6 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), для ржи – 0,4-0,5 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), для овса 0,3-0,4 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.); полный удельный расход энергии на размол (при частоте вращения ротора 5405 об/мин): для пшеницы – 2,0-4,9 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), для ржи – 1,85-4,9 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), для овса – 2,0-5,0 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.).

Рисунок 10. Зависимость степени измельчения пшеницы (Y1) от частоты вращения ротора (Х2) и производительности измельчителя (Х3)

(при угле атаки Х1 = 900)

Рисунок 11. Зависимость мощности, затраченной на измельчение ржи, (Y2) от угла атаки (Х1) и производительности измельчителя (Х3)

(при частоте вращения ротора Х2 = 5405 мин-1)

Рисунок 12. Влияние частоты вращения ротора (Х2) и производительности измельчителя (Х3) на содержание пылевидной фракции (Y3) при измельчении пшеницы (при угле атаки Х1 = 600)

Экспериментальные исследования по износу плоских разгонных элементов и ударных элементов (отбойников) при измельчении кварцевого песка проводили в измельчителе центробежного действия (рис. 1).

Для исследования износа разгонных элементов реализована матрица плана эксперимента 33. В качестве независимых переменных использовались: Х1 – диаметр исходных частиц, мм; Х2 – частота вращения ротора, мин-1.; Х3 – производительность измельчителя, кг/час. В качестве критерия оптимизации выбран: Y1 – интенсивность изнашивания по массе, г/кг.

Получены математические модели износа плоских радиальных разгонных лопаток измельчителя центробежного действия, изготовленных из широко распространенных марок сталей разной твердости:

– для стали Ст. 3:

Y1 = 0,589781 + 0,10778Х1 + 0,541635Х2 + 0,311009Х22 –

– 0,101688Х3 + 0,048474Х32 + 0,0375Х1Х2 – 0,045Х2Х3 (85)

– для стали 40Х:

Y1 = 0,395706 + 0,083899Х1 + 0,345469Х2 + 0,173531Х22 –

– 0,099543Х3 + 0,043784Х32 – 0,02875Х2Х3 (86)

– для стали 45:

Y1 = 0,247602 + 0,067094Х1 – 0,023146Х12 + 0,286737Х2 + 0,179125Х22 –

– 0,06405Х3 + 0,031257Х32 + 0,035Х1Х2 – 0,0275Х2Х3 (87)

– для стали 65Г:

Y1 = 0,156841 + 0,044097Х1 + 0,165344Х2 + 0,081794Х22 –

– 0,044087Х3 + 0,015408Х32 – 0,02125Х1Х2 (88)

С практической точки зрения интерес представляет относительная износостойкость материала разгонных лопаток. В качестве эталонного материала принята сталь Ст. 3. Использование разгонных лопаток из стали 40Х повышает их ресурс в 1,5-2,0 раза, стали 45 – 2,0-3,0 раза, стали 65Г – 3,5-13,5 раза (в зависимости от режима измельчения).

Для исследования износа ударных элементов реализована матрица плана эксперимента 34. В качестве независимых переменных использовались:

Х1 – диаметр исходных частиц, мм; Х2 – частота вращения ротора, мин-1.; Х3 – производительность измельчителя, кг/час, Х4 – угол атаки, град. В качестве критерия оптимизации выбран: Y1 – интенсивность изнашивания по массе, г/кг.

Получена математическая модель износа ударных элементов измельчителя центробежного действия, изготовленных из стали Ст. 3:

Y1 = 0,303486 + 0,095393Х1 + 0,233642Х2 + 0,100401Х22 –

– 0,128062Х3 + 0,34768Х4 + 0,174686Х42 + 0,055Х1Х2 +

+ 0,045Х1Х4 – 0,05Х2Х3 + 0,135Х2Х4 (89)

Анализ полученной математической модели (89) и поверхностей откликов позволяет сделать вывод о значительном влиянии всех исследуемых факторов на износ ударных элементов, особенно частоты вращения ротора и угла атаки частиц исходных материалов на ударный элемент. Расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными, расхождение соответствующих величин не превышает 7-10%.

По результатам исследований была построена картина износа разгонных элементов (рис. 13, а).

а	б
Рисунок 13. Картина износа плоского разгонного элемента

На рисунке отчетливо видны три зоны контакта измельчаемых частиц с поверхностью разгонного элемента: зона удара; зона восстановления; зона разгона. Таким образом, первичное разрушение частицы происходит не в два этапа, как считалось ранее, а в три (а возможно и более). Наличие зоны восстановления на поверхности разгонного элемента приводит к появлению дополнительной зоны изнашивания, увеличению расхода энергии на процесс измельчения.

Для сохранения скорости ударного нагружения, необходимой для разрушения измельчаемой частицы на равнообъемные доли, нужно длину разгонного элемента уменьшить на величину . Проведены исследования с разгонными элементами уменьшенной длины (рис. 13, б) в раза (длина составила 40 мм). На поверхности элемента отсутствует зона восстановления.

Энергоемкость процесса измельчения кварцевого песка (Q = 350 кг/ч,

n = 5405 мин-1, = 1200) снизилась в 2,18 раза, пшеницы (Q = 1000 кг/ч, n = 5405 мин-1, = 1200) – 1,31 раза; степень измельчения материалов практически не изменилась.

Таким образом, длина разгонных элементов существенно влияет на эффективность процесса измельчения. Наличие на разгонных элементах зоны восстановления увеличивает мощность, затрачиваемую как на непосредственно процесс измельчения, так и на холостой ход ротора измельчителя.

В машинах ударного действия измельчаемые частицы обычно нагружаются несколько раз при постоянной скорости удара, хотя линейные размеры частиц значительно уменьшаются уже после первого ударного нагружения. Это обстоятельство приводит к тому, что к.п.д. процесса измельчения при последующих (после первого) нагружениях все более уменьшается.

Принцип ступенчатого возрастания скорости нагружения обрабатываемого материала заложен в работе машин дезинтеграторного типа. Однако использование ударных элементов одинаковой длины на каждой ступени нагружения не позволяет достигать максимального значения к.п.д. процесса. Темп измельчения при переходе с ряда на ряд снижается, несмотря на то, что скорость нагружения от ряда к ряду возрастает.

При переходе с одного ряда ударных элементов на другой для сохранения значения кинетической энергии необходимо увеличить скорость движения в раза. Исходя из этого, длина ударных элементов должна увеличиваться от ряда к ряду, и она может быть определена из выражения:

(90)

где – длина ударного элемента на к-м ряду, мм;

к – порядковый номер ряда, считая от центра дезинтегратора;

– длина ударного элемента в первом ряду, мм.

На основании вышеизложенного разработан дезинтегратор с плоскими ударными элементами переменной длины, которая возрастает от центра дезинтегратора к периферии, при этом удельные энергозатраты при измельчении снизились на 20% по сравнению с дезинтегратором с плоскими ударными элементами одинаковой длины.

Новые технологические решения связаны, в том числе, с переходом на принцип совмещения нескольких стадий получения продукта в рабочем объеме одного аппарата. Разработан дезинтегратор - смеситель. Приведены результаты исследований по измельчению материалов различной прочности и их смешиванию в таком дезинтеграторе. Коэффициент неоднородности по ключевому компоненту не превышает 2%.

С целью интенсификации процессов измельчения и классификации материалов, а также совмещения их в одной машине, была разработана мельница дезинтеграторного типа. В опытах исследовалось влияние частоты вращения роторов и расхода воздуха на максимальный размер частиц готового продукта. Анализ экспериментальных данных показал, что полученный из опытов граничный диаметр частиц продукта помола согласуется с расчетными данными по уравнению (32). Отклонение расчетных значений от опытных не превышало 10%.

Проведены исследования по смешиванию зерновых компонентов комбикормов (пшеница, ячмень, овес) в разработанном смесителе непрерывного действия (рис. 5).

Для исследования процесса смешивания реализована матрица плана эксперимента 33. В качестве независимых переменных использовались: Х1 – производительность смесителя, кг/ч; Х2 – частота вращения диска, мин-1; Х3 – высота выгрузки, мм. В качестве критерия оптимизации выбран: Y1 – коэффициент неоднородности.

Получены математические модели процесса смешивания зерновых компонентов комбикормов в смесителе непрерывного действия:

– зерно целое:

Y1 =5,78189 + 1,14083Х1 + 0,44237Х12 – 1,63Х2 + 0,53592Х22 +

+ 1,00833Х3 + 1,35072Х32 (91)

– зерно дробленное (фракция 1-2 мм):

Y1 =5,19177 + 0,44575Х1 + 0,10671Х12 – 1,3634Х2 + 0,52617Х22 +

+ 0,98116Х3 + 1,12973Х32 (92)

После преобразования математических моделей (91-92) были получены функции отклика в натуральных значениях факторов:

– зерно целое:

Y1/ = 19,27320695 – 0,00605366Q + 0,00000708Q2 – 0,00242276n +

+ 0,00000013n2 – 0,03300499h + 0,00007992h2 (93)

– зерно дробленное (фракция 1-2 мм):

Y1/ = 16,0628435 – 0,00077804Q + 0,00000171Q2 – 0,00226021n +

+ 0,00000013n2 – 0,02654506h + 0,00006685h2 (94)

В уравнениях (83-94) принято:

Q – производительность смесителя, кг/ч;

n – частота вращения диска, мин-1.;

h – высота выгрузки, мм.

Расчетные данные, полученные с помощью уравнений (91-94), хорошо согласуются с экспериментальными, расхождение соответствующих величин не превышает 7%.

Графическое изображение поверхностей откликов (выборочно) показано на рисунках 14-15.

Рисунок 14. Зависимость коэффициента неоднородности (Y1) от частоты вращения диска (Х2) и высоты выгрузки (Х3) (при производительности смесителя Х2 = 500 кг/ч, зерно целое)

Рисунок 15. Зависимость коэффициента неоднородности (Y1) от производительности смесителя (Х1) и высоты выгрузки (Х3) (при частоте вращения диска Х3 = 8000 мин-1, зерно дробленое)

Наибольшее влияние на коэффициент неоднородности оказывает производительность смесителя и частота вращения диска, меньшее – высота выгрузки. Анализ полученных моделей (91-92) и поверхностей откликов позволяет рекомендовать следующие оптимальные параметры смешивания зерновых культур: Q = 500 кг/ч, n = 8000 мин-1, h = 255 мм (коэффициент неоднородности не превышает 4 %).

В разделе приведены результаты исследований процесса механо-химической активации поливинилхлорида - эмульсионного (ПВХ-Е) в дезинтеграторе. Работа осуществлялась в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 24.11.77. №1034 «Об организации на Волгоградском тракторном заводе им. Ф.Э. Дзержинского производства тракторов ДТ-75С с двигателями мощностью 170 л.с.». В результате были разработаны материалы с лицевым перфорированным ПВХ покрытием, обладающие высоким эффектом звукопоглощения, тентовые материалы.

На примере изменения вязкости растворов ПВХ-Е, тангенса угла диэлектрических потерь, энергии активации элиминирования НСl показана адекватность предложенной математической модели процесса механической активации дисперсных материалов. Использование однократно обработанного в измельчителе ПВХ-Е при скорости 140 м/с позволило повысить физико-механические показатели полимерных материалов.

В пятом разделе рассмотрены результаты производственных исследований разработанных технических средств в различных технологиях.

Измельчители фуражного зерна внедрены в технологии производства комбикормов ЗАО ПО «Русь», СПК «Михеевский», ГУП ОПХ «Васильевское» Ивановской области. Измельчители позволяют снизить металлоемкость конструкции и энергоемкость процесса измельчения в 1,5-2 раза по сравнению с дробилкой КД-2А. Продукты помола зерновых укладываются в рамки зоотехнических требований. Отмечается, что машина проста по конструкции, компактна и может быть изготовлена в механических мастерских ремонтно-технических и сельскохозяйственных предприятий.

Годовой экономический эффект от применения измельчителя фуражного зерна за счет снижения капитальных вложений и эксплуатационных затрат составил в ЗАО ПО «Русь» – 48035 рублей, СПК «Михеевский» – 43095 рублей, ГУП ОПХ «Васильевское» – 77470 рублей.

Разработанный смеситель позволяет эффективно реализовать процесс приготовления зерносмесей, снизить металлоемкость установки; при этом снижается энергоемкость процесса, обеспечивается высокое качество смешивания компонентов. Коэффициент неоднородности по ключевому компоненту составил 8,7%. Смеситель используется в технологии производства комбикормов ЗАО ПО «Русь», ГУП ОПХ «Васильевское» Ивановской области. Годовой экономический эффект от применения смесителя составил в ЗАО ПО «Русь» – 22951 рубль, ГУП ОПХ «Васильевское» – 20164 рубля.

Результаты исследований позволили внедрить в производство тентовых материалов сельскохозяйственного назначения дезинтегратор с экономическим эффектом 190,1 тыс. рублей в год в ценах 1988 года (Ивановский опытный завод «Искож»).

Таблица 1 – Технико-экономические показатели сравниваемых машин

Показатели	Измельчители		Смесители
	КД-2А	Предлагаемый	А9-ДСГ-0,2	Предлагаемый
Производительность, т/ч Установленная мощность, кВт Масса машин, кг Затраты труда, чел·ч/т Удельная энергоемкость (по номинальной мощности электродвигателей), кВт·ч/т Удельная металлоемкость, кг·ч/т	до 2 22,0 1000 1,0 11,0 500	до 2 7,5 350 1,0 3,75 175	2,4 3,0 520 0,83 1,25 217	до 2 0,2 60 1,0 0,1 30

Приведенные в таблице 1 данные показывают, что по технико-экономическим показателям предлагаемые машины имеют большое преимущество по сравнению с выпускаемыми промышленностью машинами аналогичного назначения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Предложена технология обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения с разработкой наиболее рациональных конструктивных схем измельчителей и смесителей центробежного действия, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат.

2. Разработаны теоретические положения по обоснованию конструктивно-режимных параметров измельчителей и смесителей центробежного действия. Определены скорости вылета частиц с разгонного элемента измельчителя фуражного зерна (при частоте вращения ротора n=5405 мин-1 – 89 м/с), углы вылета (при n=5405 мин-1 – 300), расстояние между ударными элементами – 22 мм, количество разгонных элементов – 8. Определены конструктивные параметры смесителя непрерывного действия гравитационного типа: диаметр основания направляющего конуса – 250 мм, длина наклонной поверхности направляющего конуса – 206 мм, диаметр основания загрузочного конуса – 145 мм, длина наклонной поверхности направляющего конуса – 273 мм, углы наклона конических поверхностей смесителя – 60о, диаметр диска – 230 мм, количество лопаток на диске смесителя – 8.

3. Математическая модель процесса измельчения зерновых культур в измельчителе центробежного действия позволяет оценить влияние исследуемых факторов на рабочий процесс, определить оптимальные режимы его работы. Результаты исследований позволяют рекомендовать с учетом энергоемкости процесса и гранулометрического состава готового продукта следующие параметры измельчения зерновых культур: угол атаки 90°, частота вращения ротора 5405 мин-1, производительность измельчителя 1500 кг/ч (полная удельная энергоемкость процесса измельчения – 2,0 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.); содержание пылевидной фракции не превышает 3,15%, неизмельченной фракции – 3,43%).

4. Математическая модель процесса износа разгонных лопаток и ударных элементов центробежных измельчителей позволяет решить задачу оптимизации работы измельчителя, что сводится к получению минимума числа остановов, вызванных износом рабочих органов, или к увеличению межремонтного периода.

Использование разгонных лопаток из сталей 40Х, 45, 65Г повышает их ресурс в 1,5-3,5 раза по сравнению с лопатками из стали Ст. 3.

Исследована картина износа плоских разгонных лопаток. Наличие зоны восстановления на поверхности разгонного элемента приводит к появлению дополнительной зоны изнашивания, увеличению расхода энергии на процесс измельчения.

5. Получены математические модели процесса смешивания зерновых компонентов комбикормов для целого и дробленого зерна в смесителе непрерывного действия, позволяющие определить оптимальные режимы его работы. Наибольшее влияние на коэффициент неоднородности оказывает производительность смесителя и частота вращения диска, меньшее – высота выгрузки. Рекомендованы следующие параметры смешивания зерновых культур: Q = 500 кг/ч, n = 8000 мин-1, h = 255 мм (коэффициент неоднородности не превышает 4 %).

6. Разработана математическую модель процесса активации дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств, как в процессе обработки, так и дальнейшем хранении, которая позволяет оптимизировать режимы активации при получении материалов с заданными свойствами. Процесс механической активации и проверка адекватности предложенной математической модели проведены на эмульсионном поливинилхлориде.

7. На основании теоретических предпосылок и экспериментальных исследований разработаны технические средства центробежного действия, предназначенные для обработки дисперсных материалов, позволяющие существенно снизить энергоемкость процесса. Конструкции защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

8. Измельчитель фуражного зерна используется в технологии производства комбикормов ЗАО ПО «Русь» Ивановского района, СПК «Михеевский» Комсомольского района, ГУП ОПХ «Васильевское» Шуйского района Ивановской области. По результатам опытно-производственной проверки установлено следующее: производительность измельчителей варьировалась от 1,5 до 2,0 т/ч; средний диаметр измельченных частиц: пшеница – 1,55 мм, рожь – 1,5 мм, ячмень – 1,55 мм, овес – 1,7 мм; энергоемкость процесса измельчения составила для пшеницы – 0,55 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), ржи – 0,5 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), ячменя – 0,55 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.), овса – 0,45 кВт·ч/(т·ед.ст.изм.).

Годовой экономический эффект от применения измельчителя фуражного зерна составил в ЗАО ПО «Русь» – 48035 рублей, СПК «Михеевский» – 43095 рублей, ГУП ОПХ «Васильевское» – 77470 рублей.

9. Производственные исследования показали, что разработанный смеситель позволяет получать смеси зерновых компонентов комбикормов, коэффициент неоднородности составил 8,7 %, энергоемкость процесса смешивания составляет около 0,2 кВт·ч/т. Годовой экономический эффект от применения смесителя составил в ЗАО ПО «Русь» – 22951 рубль, ГУП ОПХ «Васильевское» – 20164 рубля.

10. Разработанный дезинтегратор используется на Ивановском опытном заводе искусственных кож для приготовления компаундов жидких и сыпучих компонентов (наполнителей, стабилизаторов) в технологии получения тентовых материалов сельскохозяйственного назначения. Экономический эффект от внедрения дезинтегратора составляет 190,1 тыс. руб. в год в ценах 1988 года.

Предлагаемое дезинтеграторное оборудование может эффективно использоваться в технологиях приготовления переплетного материала, искусственной кожи, термопластичных литьевых изделий, строительных материалов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

- в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Колобова В.В., Рязанцева А.В. Применение дезинтегратора в различных технологиях // Известия вузов. Химия и химическая технология. – Иваново, 2004. – Т. 47, вып. 8. – С. 71-75.

2. Лапшин В.Б., Конышев И.И., Боброва Н.В., Колобов М.Ю. Феноменологическая модель процесса измельчения в дезинтеграторе // Известия вузов. Химия и химическая технология. – Иваново, 2004. – Т. 47, вып. 10. – С. 79-82.

3. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е., Баусов А.М. Установка для приготовления комбикормов // Техника в сельском хозяйстве. – Москва, 2008. – № 3. – С. 14-15.

4. Колобов М.Ю., Абалихин А.М., Баусов А.М. Повышение долговечности рабочих органов центробежно-ударных мельниц // Ремонт, восстановление, модернизация. – Москва, 2008. – № 7. – С. 27-28.

5. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Баусов А.М. Использование центробежно-ударной мельницы для измельчения зерна // Техника в сельском хозяйстве. – Москва, 2008. – № 4. – С. 52-53.

6. Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Боброва Н.В., Богородский А.В., Колобов М.Ю. Пути повышения долговечности рабочих органов ударно-центробежных измельчителей // Ремонт, восстановление, модернизация. – Москва, 2008. – № 8. – С. 41-44.

7. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Чернов Ю.И., Баусов А.М. Двухступенчатая центробежная мельница // Техника в сельском хозяйстве. – Москва, 2008. – № 5. – С. 15-16.

8. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е. Смеситель кормов // Техника в сельском хозяйстве. – Москва, 2008. – № 6. – С. 47-48.

9. Колобов М.Ю. Сепарационная мельница // Техника в сельском хозяйстве. – Москва, 2009. – № 1. – С. 17-19.

10. Колобов М.Ю. Износ рабочих органов центробежно-ударных мельниц // Ремонт, восстановление, модернизация. – Москва, 2009. – № 8. – С. 27-28.

- в патентах РФ:

11. А.с. СССР № 1572694. Дезинтегратор / Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Блиничев В.Н., Штейнберг Я.А., Козловский А.Э., Шарова З.А. // Бюл. изобр. № 23, 1990.

12. А.с. СССР № 1595562. Мельница для измельчения сыпучих материалов / Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Богородский А.В., Блиничев В.Н. // Бюл. изобр. № 36, 1990.

13. А.с. СССР № 1645000. Мельница / Лапшин В.Б., Трахтенберг В.Д., Колобов М.Ю., Блиничев В.Н., Макаров Ю.И. // Бюл. изобр. № 16, 1991.

14. Патент на полезную модель RU № 66229 U1. Измельчитель фуражного зерна / Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Баусов А.М. // Бюл. № 25, 2007.

15. Патент на полезную модель RU № 71861 U1. Установка для приготовления комбикормов / Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е. // Бюл. № 9, 2008.

16. Патент на полезную модель RU № 74581 U1. Измельчитель фуражного зерна / Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Колобов М.Ю., Боброва Н.В., Субботин К.В. // Бюл. № 19, 2008.

17. Патент на изобретение RU № 2336122 С1. Смеситель / Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Сахаров С.Е., Боброва Н.В. // Бюл. № 29, 2008.

- в других научных изданиях:

18. Лапшин В.Б., Воронкова О.В., Колобов М.Ю. Обработка ПВХ в дезинтеграторе // Межвуз. сб. науч. тр. "Разработка теории и конструктивного оформления процессов тонкого измельчения, классификации, сушки и смешения материалов". – Иваново, 1988. – С. 30-33.

19. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Акопова О.Б. ИК-спектры поливинилхлорида, обработанного в дезинтеграторе // Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в зернистых средах". – Иваново, 1989. – С. 16-20.

20. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Высокоскоростная обработка полимеров // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Технология сыпучих материалов". – Ярославль, 1989. – С. 154.

21. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Механическая активация поливинилхлорида // Деп. в ОНИИТЭХИМ 16.04.90, № 291 – хп. – Черкассы, 1990. – 18 с.

22. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б. Разработка нового оборудования для измельчения // Деп. в ОНИИТЭХИМ 30.08.90, № 627 – хп. – Черкассы, 1990. – 12 с.

23. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Механическая активация поливинилхлорида // Деп. в ОНИИТЭХИМ 15.11.90, № 705 – хп. – Черкассы, 1990. – 16 с.

24. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Получение многокомпонентных смесей в мельнице дезинтеграторного типа // Тезисы докладов V Всесоюзной научной конференции "Механика сыпучих материалов". – Одесса, 1991. – С. 230.

25. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Шарова З.А., Блиничев В.Н. Дезинтегратор // Тезисы докладов VШ Всесоюзного семинара "Дезинтеграторная технология". – Киев, 1991. – С. 8-9.

26. Колобов М.Ю., Круглов В.А., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Активация дисперсных материалов в дезинтеграторе // Тезисы докладов VШ Всесоюзного семинара "Дезинтеграторная технология". – Киев, 1991. – С. 48-49.

27. Шарова З.А., Штейнберг Я.А., Лапшин В.Б., Козловский А.Э., Колобов М.Ю. Технология компаундирования ингредиентов ПВХ композиций с использованием дезинтегратора в технологии искусственных кож // Тезисы докладов VШ Всесоюзного семинара "Дезинтеграторная технология". – Киев, 1991. – С. 151-152.

28. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Обработка поливинилхлорида в дезинтеграторе // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Поливинилхлорид-91". – Черкассы, 1991. – С. 14-15.

29. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Балым Т.С., Харитонов С.В. Дезинтеграторная обработка наполнителя // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Поливинилхлорид-91". – Черкассы, 1991. – С. 97.

30. Колобов М.Ю., Круглов В.А., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Математическое моделирование процесса механической активации дисперсных материалов // Межвуз. сб. науч. тр. "Техника и технология сыпучих материалов". – Иваново, 1991. – С. 11-17.

31. Колобова В.В., Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Разработка оборудования для измельчения зерна // Тезисы докладов зональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в сельскохозяйственном производстве". – Иваново, 1993. – С. 242.

32. Колобова В.В., Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Применение ударных мельниц при обработке зерна // Сборник науч. тр. "Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве". – Санкт-Петербург, 1994. – С. 9-11.

33. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Колобова В.В., Земцов В.Я. Мельница для измельчения сыпучих материалов // Сборник науч. тр. "Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве". – Санкт-Петербург, 1994. – С. 19-24.

34. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е. Измельчитель для переработки зерна // Итоговая научно-практическая конференция Научные достижения – развитию агропромышленного комплекса, посвященная 70-летию ИГСХА. Сборник статей. – Иваново, 2000. – С. 186-188.

35. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Сахаров С.Е., Сизов А.П. Пути повышения износостойкости и долговечности рабочих органов ударно-центробежных измельчителей // Научно-практическая конференция Сельскохозяйственная наука и развитие агропромышленного комплекса. Сборник тезисов. – Иваново, 2002. – С. 175.

36. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Сахаров С.Е., Боброва Н.В. Расчет длины плоских ударных элементов в центробежно-ударных измельчителях // Научно-практическая конференция Сельскохозяйственная наука и развитие агропромышленного комплекса. Сборник тезисов. – Иваново, 2002. – С. 181.

37. Лапшин В.Б., Конышев И.И., Боброва Н.В., Колобов М.Ю. Феноменологическая модель процесса износа ударных элементов в дезинтеграторе // Вестник научно-промышленного общества. Вып. 7. – М.: Изд-во "АЛЕВ-В", 2004. – С. 37-40.

38. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Колобова В.В., Сахаров С.Е., Сизов А.П. Ударные мельницы для переработки зерна // Вестник научно-промышленного общества. Вып. 7. – М.: Изд-во "АЛЕВ-В", 2004. – С. 24-27.

39. Колобов М.Ю., Баранов Н.М., Лапшин В.Б. Дробилка // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 57-й международной научно-практической конференции. – Кострома: КГСХА, 2006. – С. 82-84.

40. Сахаров С.Е., Колобов М.Ю. Участок по приготовлению кормов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 57-й международной научно-практической конференции. – Кострома: КГСХА, 2006. – С. 104-105.

41. Колобов М.Ю. Использование мельницы дезинтеграторного типа для производства строительных материалов // Проблемы создания и совершенствования строительных и дорожных машин: Сб. докл. Международной научно-практической Интернет-конференции. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. – С. 35-37.

42. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Баусов А.М. Измельчение зерна в мельнице центробежно-ударного действия // Международная научно-методическая конференция Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса. Сборник статей. – Иваново, 2007. – С. 139-140.

43. Лапшин В.Б., Сахаров С.Е., Колобов М.Ю. Смеситель // Международная научно-методическая конференция Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса. Сборник статей. – Иваново, 2007. – С. 142-144.

44. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е., Абалихин А.М. Оборудование для обработки дисперсных материалов // Международная научная конференция Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием. Сборник трудов. Том II. – Иваново, 2007. – С. 13-15.

45. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б. Дезинтеграторная обработка наполнителей в производстве изделий на основе ПВХ // Известия вузов. Химия и химическая технология. – Иваново, 2007. – Том 50, вып. 8. – С. 59-61.

46. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Абалихин А.М., Баусов А.М. Измельчитель фуражного зерна // Ивановский инновационный салон "ИННОВАЦИИ-2007". – Иваново, 2007. – С. 58.

47. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е., Абалихин А.М., Сизов А.П., Баусов А.М. Разработка оборудования для приготовления комбикормов // 10-я Международная научно-практическая конференция "Научно-технический прогресс в животноводстве – машинно-технологическая модернизация отросли". Сборник научных трудов, том 17, часть 3. – Подольск, 2007. – С. 99-106.

48. Колобов М.Ю. Измельчитель фуражного зерна // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 59-й международной научно-практической конференции. Т. IV. – Кострома: КГСХА, 2008. – С. 124-125.

49. Колобов М.Ю., Абалихин А.М., Колобова В.В. Износ элементов измельчителей ударного действия // Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса: материалы Международной научно-методической конференции. Т. II. – Иваново, 2009. – С. 89-90.

50. Абалихин А.М., Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Богофанио Б.Н. Центробежный измельчитель // Сельский механизатор. – Москва, 2009. – № 11. – С. 30.

51. Колобов М.Ю., Абалихин А.М. Измельчение фуражного зерна // Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса: материалы Международной научно-методической конференции. Т. II. – Иваново, 2010. – С. 188-190.

52. Колобов М.Ю., Сахаров С.Е. Смешивание зерновых компонентов // Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса: материалы Международной научно-методической конференции. Т. II. – Иваново, 2010. – С. 191-192.