Введение. В последние несколько лет животноводческая отрасль развивается быстрыми темпами, что приводит к увеличению потребности в качественных кормах для сельскохозяйственных животных.
На сегодняшний день в небольших сельскохозяйственных предприятиях, занимающихся животноводством, все больше распространение получает технология производства кормов с использованием малогабаритного оборудования [1, 2]. Наличие такого оборудования непосредственно в хозяйствах дает возможность значительно сократить расходы на логистику и в кратчайшие сроки производить готовый к употреблению животными измельченный корм.
Малогабаритное оборудование отличается малой энергоёмкостью, металлоемкостью, компактными размерами и небольшим сроком окупаемости [3]. Существующие дробилки разделяются на молотковые, роторные, жерновые дисковые, конусные. Они различаются по таким технологическим признакам, как тип рабочих органов, установленная мощность, технологическое назначение, эксплуатационные характеристики [4].
Дробление зерна – наиболее энергозатратный процесс при приготовлении кормов, поэтому актуальна разработка новых установок для его реализации, обеспечивающих высокую производительность и эффективность с низкими затратами электроэнергии.
При характеристике процесса дробления учитывают такие основные параметры, как степень измельчения, модуль помола измельченного продукта и удельная энергоемкость [5, 6, 7]. На степень измельчения в роторных дробилках влияют такие факторы, как расстояние между дисками, профиль дробильной камеры, скорость лопастных дисков, месторасположение окна для выхода зерна, влажность исходного материала, время пребывания материала в рабочей камере и др. [8, 9].
Цель исследования – оценка эффективности разработанного устройства для дробления зерна, в сравнении с существующими дробилками (УД-200).
Основные задачи исследования – изучение влияния различных конструктивных и технологических параметров дробилки на степень измельчения λ (мм), модуль помола М (мм) и удельную энергоемкость процесса дробления Е (Дж/кг).
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на разработанном в Казанском ГАУ устройстве для дробления зерна с лопастными дисками (Патент РФ № 2667098), для сравнения использовали дробилку УД-200 с рабочим ударным ножом.
Рис. 1 – Устройство для дробления зерна: 1 – опора; 2 – загрузочная тара; 3 – направляющий канал; 4 – вал привода; 5 – электромотор; 6 – диски; 7 – обечайка ситовая; 8 – отражательный элемент.
Устройство для дробления зерна включает опору с закрепленной на ней загрузочной тарой, направляющий канал, ситовую обечайку в форме усеченного конуса, отражательный элемент, электромотор, установленный на опоре вала привода с верхним и нижним диском [10, 11]. Верхний и нижний диски служат для разгона зерна и подачи его на ситовую обечайку, а лопасти, установленные на дисках, обеспечивают придание зерну максимального ускорения. Направляющий канал загрузочной тары предназначен для подачи зерна непосредственно в центральную часть первого диска, а конструкция ситовой обечайки в виде усеченного конуса обеспечивает отскок зерна после первого удара на второй диск, который разгоняет зерно для удара о ситовую обечайку для окончательного дробления [12, 13].
Важной отличительной особенностью разработанной дробилки можно считать то, что в рабочей камере происходит вращение двух дисков с лопастями, которые имеют разные геометрические параметры, их диаметры равны 142 и 200 мм.
Для эксперимента отбирали партию зерна пшеницы массой 1 кг влажностью от 9,8 до 14,1 %. Степень измельчения и модуль помола определяли на ситовом классификаторе (вибропривод ВП-30Т). Массу навески с измельченным продуктом (сита) измеряли на весах электронных настольных ВК-600 [14]. Удельную энергоемкость определяли с помощью измерительного комплекта К-50 с трансформатором тока И-520.
Для определения модуля помола использовали металлические сита с четырьмя размерами отверстий – 0 мм (дно классификатора); 1,0 мм; 2,0 мм; 3,0 мм. Устройство устанавливали на ровную поверхность, подключали к электропитанию, монтировали необходимое количество сит, засыпали зерно и закрепляли с двух сторон горизонтальной планкой. После этого запускали устройство на 2 минуты [15, 16].
Тонкость помола (мм) оценивали по средневзвешенному диаметру частиц (модулю) в соответствии с ГОСТ 8770-58 по формуле:
(1)
где G0 – масса навески на дне классификатора, г;
G1, G0, G3 – масса навесок на ситах с соответствующими отверстиями, г.
Помол считали тонким при M=0,2…1 мм; средним при M=1…1,8 мм; крупным при M=1,8…2,6 мм [17].
Для определения степени измельчения зерна, использовали выражение:
(2)
где DЭ – средневзвешенный диметр частиц (модуль) измельченного зерна, мм;
dср – диаметр шара объемом, равным объему одной зерновки, называемый эквивалентным диаметром зерна, мм.
Расход полезной энергии на образование единицы новой поверхности рассчитывали по формуле:
, (3)
где A – удельный расход энергии, Дж/м2;
PД – мощность на валу ротора дробилки при дроблении, Вт;
PXX – мощность холостого хода дробилки, Вт;
ΔS – приращение удельной площади поверхности, м2/кг;
Q – производительность дробилки, кг/ч.
Результаты и обсуждение. Разработанная дробилка с лопастными дисками обеспечивала более тонкий помол. Масса самой мелкой фракции (менее 1 мм) при ее использовании была больше, чем при дроблении на УД-200, на 6,3 г, средней – на 12,8 г (табл. 1).
Таблица 1 – Масса дробленого продукта в каждой навеске (сите), г
|
Размер сита, мм |
Разработанное устройство |
Существующий аналог (УД-200) |
|
Дно классификатора |
2,1 |
1,8 |
|
Менее 1 мм |
7,3 |
1,0 |
|
От 1 до 2 мм |
18,9 |
6,1 |
|
От 2 до 3 мм |
61,2 |
70,7 |
|
Более 3 мм |
10,5 |
20,4 |
|
Итого |
100 |
100 |
На УД-200 мелкий помол возможен при влажности зерна не более 12,6 %, а при использовании устройства с лопастными дисками – до 12,9 %. Для получения среднего помола она может варьировать соответственно от 12,6 % до 13,6 % и от 12,9 % до 14,1 % (рис. 2). Возможность использования экспериментальной дробилки при большей исходной влажности зерна обеспечивает снижение затрат энергии на его дополнительную сушку [18].
Рис. 2 – Модуль помола в зависимости от влажности зерна.
При влажности зерна 14,1 % максимальная степень измельчения на УД-200 составила 2,6 мм, а при использовании устройства с лопастными дисками получили более мелкий помол, степень его измельчения составила 2,1 мм, что на 0,5 мм меньше, чем при использовании традиционных дробилок (рис. 3).
Рис. 3 – Степень измельчения в зависимости от влажности зерна.
При повышении влажности возрастают затраты энергии на измельчение зерна [19, 20]. При влажности зерна 9,8 % и использовании экспериментальной установки они составили 5,3 Дж/кг, в варианте с УД-200 – 6,9 Дж/кг, что на 1,6 Дж/мг меньше. При повышении влажности зерна до 14,1 % удельная энергоемкость увеличивалась соответственно до 8 и 9 Дж/кг. Отмеченное снижение затрат энергии на дробление зерна можно отнести одному из преимуществ разработанного устройства (рис. 4).
Рис. 4 – Удельная энергоемкость в зависимости от влажности зерна.
Выводы. Использование экспериментальной установки с лопастными дисками обеспечило снижение максимального модуля помола, по сравнению с существующим аналогом (УД-200), на 0,2 мм, максимальной степени измельчения – на 0,5 мм, удельного расхода энергии – на 0,9 Дж/кг. Разработанное устройство в сравнении с аналогом УД-200 обеспечивает в совокупности и получение более качественного, измельченного корма, предназначенного для непосредственного скармливания крупному рогатому скоту.
