Исследование процессов шелушения ячменя с целью создания малогабаритного шелушителя горизонтального типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Таранин, Сергей Александрович

• Таранин, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Таранин, Сергей Александрович

Введение.

Глава 1. Обзор современного состояния теории и практики шелушения зерновых культур. Задачи исследования.

1.1 Основные сведения о физико-механических свойствах зерна.

1.2 Технологические свойства зерна, влияющие на процесс шелушения.

1.3 Влияние гидротермической обработки (ГТО) зерна крупяных культур на процесс шелушения.

1.4. Классификация методов шелушения зерновых культур.

1.5. Обзор технологического оборудования для шелушения зерновых культур.

1.5.1. Шелушение зерна сжатием и сдвигом.

1.5.2. Шелушение зерна однократным и многократным ударом.

Ч 1.5.3. Шелушение зерна постепенным снятием оболочек в результате их интенсивного истирания.

1.6. Оценка технологической эффективности шелушения.

11 1.7. Краткие выводы, цели и последовательность исследований.

Глава 2. Экспериментальные установки и методология исследований. Исследование физико-механических свойств исходного сырья.

2.1. Описание экспериментальных установок, используемых в исследованиях.

• 2.1.1. Установка для определения прочностных характеристик зерна.

2.1.2. Установка для определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения зерна.

2.1.3. Экспериментальная модель абразивного шелушителя с горизонтальным расположением ротора для зерновых культур.

2.2. Методология экспериментальных исследований.

2.2.1. Методика определения среднего усилия разрушения частиц зерна при сжатии.

2.2.2. Методика определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения зерна.

2.2.3. Определение числа повторностей проводимых экспериментов и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований

2.2.4. Методика определения коэффициента шелушения зерна.

2.2.5. Методика определения производительности шелушителя.

2.2.6. Методика определения энергозатрат.

2.2.7. Стандартные методики.

2.3. Характеристики ячменя, используемого в качестве сырья при проведении экспериментов.

2.3.1. Определение прочностных характеристик исходного ячменя.

2.3.2. Определение коэффициента трения ячменя по абразивной поверхности.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Аналитические исследования и разработка математических моделей рабочих процессов в шелушителе с горизонтальным расположением ротора.

3.1. Математическое моделирование рабочих процессов в шелушителе с горизонтальным абразивным ротором.

3.2. Анализ результатов математического моделирования.

3.3. Компьютероное моделирование и исследование кинетики зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя и использованием CAE (Computer Aided

Engineering) - системы COSMOSFlo Works.

3.3.1. Анализ влияния дополнительных конструктивных элементов на кинетику зерновой смеси.

3.3.2. Анализ поля скоростей и давления в рабочей зоне шелушителя при различных технологических параметрах.

3.4. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования по определению влияния конструктивных параметров шелушителя на качественные показатели его работы.

4.1. Исследование влияния крупности зерна абразивных кругов и производительности шелушителя на эффективность шелушения ячменя.

4.2. Исследование и оптимизация эффективности процесса шелушения ячменя по длине рабочей зоны шелушителя.

4.3. Исследование влияния длительности обработки ячменя на коэффициент шелушения.

4.4. Исследование влияния количества пропусков зерна через шелушитель на эффективность шелушения.

4.5. Изучение влияния дополнительных элементов, вносимых в конструкцию шелушителя, на эффективность шелушения ячменя и производительность шелушителя.

4.5.1. Влияние гонков на эффективность работы шелушителя.

4.5.2. Влияние элементов, возвращающих поток зерна в рабочую зону шелушителя на эффективность шелушения.

4.5.3. Влияние элементов, задерживающих зерновой поток в рабочей зоне шелушителя на эффективность шелушения ячменя. ИЗ

4.6. Исследование влияния частоты вращения ротора и производительности на эффективность работы шелушителя.

4.7. Исследование влияния влажности ячменя и производительности на эффективность работы шелушителя.

4.8. Определение удельного расхода электроэнергии на процесс шелушения ячменя.

4.9. Выводы по главе.

Глава 5. Оптимизация конструктивных параметров малогабаритного шелушителя и практическое внедрение результатов исследований.

5.1. Постановка задачи оптимизации конструктивных параметров малогабаритного шелушителя абразивного типа.

5.2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для решения задачи поиска оптимальных параметров работы шелушителя.

5.3. Пример решения задачи оптимизации.

5.4. Производственные испытания малогабаритного шелушителя горизонтального типа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов шелушения ячменя с целью создания малогабаритного шелушителя горизонтального типа»

В современных рыночных условиях в России предприятиям всех отраслей, включая комбикормовую, необходимо искать пути для выпуска конкурентоспособной . продукции — высокого качества с низкой себестоимостью. В настоящий момент сложилась такая ситуация, что в результате удорожания всех факторов производства комбикормов, а также значительного повышения транспортных тарифов, многие хозяйства, как крупные, так и тем более мелкие - фермерские или частные, просто не в состоянии приобрести качественные корма у комбикормовых заводов.

Как известно, одним из основных показателей качества комбикормов для птицы является обменная энергия. Для кукурузы этот показатель равен 328-330 ккал на 1 кг, а для ячменя - 305 ккал. Ограничением для использования ячменя служит значительное содержание клетчатки. Это не позволяет вводить в комбикорма не шелушенный ячмень в количестве, достаточном для того, чтобы выдержать показатель по обменной энергии.

Шелушение ячменя, то есть отделение лузги (пленчатость ячменя варьирует в пределах от 8 до 15 %), приводит к снижению содержания клетчатки до 2,2 %, т.е. в 2,5 раза, что позволяет увеличить количество вводимого в комбикорма ячменя. Это способствует резкому снижению потребности в кукурузе при сохранении требуемой обменной энергии. Более того, общее содержание сырой клетчатки в комбикормах для птицы с шелушенным ячменем меньше, чем в комбикормах с кукурузой.

В этой связи особо остро стоит вопрос о создании малогабаритных, не требующих сложного монтажа и обслуживания машин для шелушения зерна таких культур, как ячмень, которые можно использовать непосредственно в малых хозяйствах, как отдельно, так и в линии по производству комбикормов.

Шелушенный ячмень с успехом заменяет дефицитную кукурузу в комбикормах без ущерба для их качества комбикормов, что значительно снижает себестоимость продукции. Кроме того, излишки ячменя можно реализовывать на сторону для получения дополнительной прибыли.

В настоящий момент, на крупозаводах с целью повышения выравненное™ партий зерна перед шелушением производят отбор мелкой фракции и сортировку партий на несколько фракций. Практически на всех предприятиях мукомольно-крупяной и комбикормовой промышленности зерно перед шелушением подвергается гидротермической обработке. Все это требует установки дополнительного сложного оборудования, что сильно ограничивает применения данных технологии шелушения в малых хозяйствах.

На сегодняшнем этапе развития экономической ситуации в сельском хозяйстве особый интерес вызывает создание высокоэффективной малогабаритной техники и технологии для небольших хозяйств, не требующей значительных энергетических и эксплуатационных затрат. Очевидно, что оборудование крупозавода или комбикормового завода не может быть использовано в качестве типового оборудования для фермерского или частного хозяйства.

Актуальность работы. Шелушение зернового сырья при производстве комбикормов для молодняка скота и птицы является одной из важнейшей технологической операцией, в значительной мере определяющей качество готовой продукции. Степень шелушения зерновых компонентов комбикормов существенно влияет на их качество и усвояемость. В настоящее время имеется целый ряд технологических машин для шелушения зерновых культур. Однако все эти машины имеют достаточно сложную конструкцию, значительные габариты и большой удельный расход энергии на процесс шелушения, что не позволяет их использовать в мелких фермерских и частных хозяйствах.

Целю исследований является повышение эффективности процесса шелушения ячменя в условиях малого хозяйства путем совершенствования и оптимизации конструктивно-технологических параметров шелушителя горизонтального типа.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить технологические свойства зерна, влияющие на эффективность шелушения;

2. Разработать математические модели рабочих процессов для малогабаритного шелушителя с горизонтальным ротором;

3. Создать экспериментальную установку на базе малогабаритного шелушителя для проведения натурных экспериментов;

4. Создать математические модели процесса шелушения зерна;

5. Провести экспериментальную проверку математических моделей и аналитических исследований шелушителя;

6. Сформулировать целевую функцию оптимальности процесса шелушения, поставить и решить задачу оптимальности процесса шелушения;

7. Разработать алгоритм расчета оптимальных параметров работы малогабаритного шелушителя, создать программу для расчета шелушителя на ПК;

8. Усовершенствовать конструкцию шелушителя и провести промышленную апробацию результатов исследований.

Методы исследования. В работе использованы методы математического и натурного моделирования, метод нелинейного программирования, методы математической статистики. Математическая обработка результатов исследований, а также решение задачи оптимизации процесса шелушения проводились на ПК с использованием программы компьютерной математики MathCAD. При геометрическом моделировании шелушителя использовалась CAD - система SolidWorks, а для гидродинамического анализа - система COSMOSFloWorks.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- в результате аналитических исследований получена и экспериментально проверена математическая модель рабочих процессов шелушителя с горизонтальным ротором;

- методами статистического анализа определено влияние технологических свойств зерна на количественные и качественные показатели процесса шелушения, что позволило в дальнейшем решить задачу оптимизации процесса шелушения;

- показана возможность использования компьютерной САЕ — системы С08М08Р1о\УогкБ для моделирования кинетики зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя;

- в результате статистического анализа экспериментальных данных получены эмпирические формулы зависимости эффективности шелушения ячменя от различных конструктивных и технологических параметров работы шелушителя, которые так же позволили решить задачу оптимизации процесса шелушения;

- доказана возможность шелушения ячменя для кормовых целей в зоне свободного воздействия на него абразивных поверхностей;

- сформулирована целевая функция оптимальности процесса шелушения и методами нелинейного программирования на ПК определены оптимальные конструктивные параметры и рациональные режимы работы шелушителя для ячменя.

Объектом исследований является технологический процесс шелушения зерна, его режимы и закономерности.

Предметом исследований является влияние конструктивных параметров и режимов работы шелушителя горизонтального типа на эффективность шелушения.

Практическая значимость исследований:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическую реализацию в совершенствовании оборудования для шелушения ячменя с целью оптимизации конструкции и ресурсосбережения;

2. Разработаны математические модели, алгоритмы и компьютерная программа «Шелушитель» для определения оптимальных технологических параметров работы малогабаритного шелушителя горизонтального типа.

3. Показана возможность использования современных компьютерных САЕ -систем для моделирования кинетики сыпучей зерновой среды в шелушителе с вращающимся абразивным ротором. В результате компьютерного моделирования получены значения различных физических параметров зерновой смеси в рабочей зоне шелушителя, проанализировано влияние конструктивных изменений на кинетику продукта.

4. Разработана конструкторская документация на малогабаритный шелушитель горизонтального типа, изготовлен опытный образец шелушителя, который установлен на ЗАО «Ремонтно-механический завод». Данные промышленных испытаний подтвердили высокие технико-экономические показатели малогабаритного шелушителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно - практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие» (Москва, МГУПП, 1999 г.); на расширенном заседании кафедры «Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов» (Москва, МГУПП, 2005 г.).

На защиту выносятся: математическая модель шелушителя горизонтального типа с горизонтальным абразивным ротором; эмпирические зависимости влияния различных конструктивных параметров шелушителя на эффективности и энергоемкость процесса шелушения; результаты исследований физико-механических свойств исходного продукта — зерна ячменя; программные средства, разработанные на основе математической модели шелушителя для расчета оптимальных конструкционных параметров машины; многофакторные зависимости изменения степени шелушения ячменя от конструкционных параметров шелушителя, а также от технологических параметров исходного продукта;

- целевая функция оптимизации процесса шелушения по технико-экономическим показателям работы шелушителя; алгоритм и программа для определения оптимальных конструктивных и технологических параметров шелушителя горизонтального типа.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав,

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Таранин, Сергей Александрович

4.9. Выводы по главе

1. Исследовано влияние крупности шлифзерен на коэффициент шелушения ячменя. Установлено, что при увеличении крупности шлифзерен с 65 мкм до 125 мкм коэффициент шелушения увеличивается, но в месте с тем возрастает и относительное содержание эндосперма в проходовой фракции продуктов шелушения. В результате статистической обработки результатов исследований на ПК получено уравнение двумерной регрессии зависимости коэффициента шелушения Кш от крупности шлифзерен /л и производительности П:

Кш (И,П) =-7,25-10"4 п3 +0,23л2 -20,9я+4,53 • 10'6П3 - 7,23-10"3Я2-1,92Я

- 6,73-Ю"5 п2П+3,48-10"5я772-5,08-10"3лЯ+593,13.

2. Исследован качественный состав продуктов шелушения по длине рабочей зоны шелушителя. Установлено, что в конце рабочей зоны шелушителя имеет место повышенное содержание эндосперма в проходовых продуктах шелушения. Для стабилизации процесса шелушения по длине рабочей зоны предложено использовать пять первых абразивных кругов с крупностью шлифзерен 125 мкм, и трех последующих с крупностью зерен абразива - 100 мкм.

3. Исследована возможность повышения эффективности шелушения путем задержки зерна в рабочей зоне шелушителя на 30 — 90 сек. Эксперименты показали, что для достижения требуемого коэффициента шелушения в 85 % необходима задержка продукта на 60 сек. Но это приводит к снижению производительности шелушителя в 2,5 раза (с 300 кг/ч до 120 кг/ч), следовательно, таким образом повышать коэффициент шелушения не целесообразно.

4. Изучен эффект от установки различных дополнительных конструктивных элементов на качественные показатели работы шелушителя. Результаты экспериментов показали, что в целом, использование дополнительных конструктивных элементов в шелушителе не эффективно, т.к. хотя это и приводит к повышению коэффициента шелушения, но вместе с тем снижается производительность. Однако, установка двух пластин, возвращающих зерновой поток в рабочую зону позволяет значительно увеличить коэффициент шелушения (на 14 %), при снижении производительности на 25 кг/ч.

5. С целью получения математических моделей процесса шелушения проведена серия экспериментов. В результате статистической обработки результатов исследований на ПК с использованием программы «МаШСАО» получены следующие уравнения двумерной регрессии:

- для зависимости коэффициента шелушения от частоты вращения ротора п и производительности шелушителя Я:

Кш (п,П) =3,264-Ю-8 п3 -1,984-10*4и2+0,465и-1,03• 105Я3+8,67' 103Я2-2,62Я

- 2,12'Ш8 и2Я+7,83- 10"7лЯ2-3,94-юЛз/7+59,03;

- для зависимости коэффициента шелушения от влажности зерна ¡V и производительности Я шелушителя:

КШ(Ж,П) =0,033 ¡¥3-2,52 0^+53,28 ^-7,84-10^+7,24-10-3Я2-2,ЗЗЯ

- 8,76-Ю-5 1,26-10"5 ЖП2-0,01 ЦГП+10,47;

- для зависимости удельного расхода энергии ИУд одновременно от двух параметров — частоты вращения ротора п и производительности Я:

Ыуд (п,П) = -3,26-Ю'10 п -2,06- 10^-5,8-10"3л+8,31 • 10^+3,24-10'4Л2-0,29П+ +4,2-10-9 п2П-1,23-1 0"7иЯ2+8,24- 10'5пП+60,51.

Полученные математические модели могут быть использованы при решении задачи оптимизации конструктивных параметров шелушителя в виде нелинейных уравнений, входящих в целевую функцию оптимизации.

Глава 5. Оптимизация конструктивных параметров малогабаритного шелушителя и практическое внедрение результатов исследований 5.1. Постановка задачи оптимизации конструктивных параметров малогабаритного шелушителя абразивного типа

Результатом теоретических и практических исследований, представленных в предыдущих главах являются функциональные зависимости между качественными показателями процесса шелушения зерна и различными конструктивными или технологическими параметрами процесса. В результате многочисленных натурных исследований, представленных в 4-ой главе, методами статистической обработки результатов получены математические модели в виде уравнений регрессий. Для определения оптимальных входных параметров работы шелушителя необходимо сформулировать и решить задачу оптимизации процесса шелушения.

Параметрическая схема процесса шелушения представлена на рис. 56. Основными выходными характеристиками процесса являются удельные затраты энергии Муд, производительность П и коэффициент шелушения Кш. Основными входными характеристиками, влияющими на эти показатели, являются характеристики продукта: влажность IV, его гидротермическая обработка (ГТО) и нагрузка <2; конструктивные параметры: частота вращения ротора п, номер абразива ¡л, количество и угол установки гонков кг и лопаток кл, установка задвижки кз, которая позволяет увеличить время обработки продукта, а также технологическая схема процесса шелушения кСх

Экспериментальные исследования показали, что наибольшее влияние на процесс шелушение оказывает производительность машины и частота вращения ротора. В связи с этим введем ряд упрощающих допущений. В дальнейшем будем считать, что коэффициент шелушения Кш и удельный расход электроэнергии Л^, затрачиваемой на шелушение, зависят только от производительности П и частоты вращения ротора шелушителя п: Кш (п,П) =3,264-Ю*8 п3 -1,984-10*4«2+0,465«-1,03• 10'3П3+8,67-10'3П2-2,62П-- 2,12-10'8 п2П+ 7,83• 10'7пП2-3,94-10"4«Я+59,03; п,П) = -3,26-КГ10 п3 -2,06- 10"бл2-5,8-10"3л+8,31 • 10"8773+3,24-10АП2-0,29П+ +4,2' Ю'9 п2П-\,1Ъ- 10"7«Я2+8,24- 10-5«Я+60,51.

Производительность П. кг/ч -^

Влажность зерна IV, %

Малогабаритный шелушитель с абразивным ротором

Нагрузка 0, кг/ч

Технол. эффективность К,» %

ГТО

Удел, расход энергии Л^, -►

Рис. 56. Параметрическая схема процесса шелушения зерна

Для определения оптимальных параметров сформулирована и решена задача оптимизации. В качестве критерия оптимальности Я выбрана нелинейная функция прибыли хозяйства, которая ожидается в результате применения данного шелушителя. Прибыль достигается за счет увеличения стоимости шелушенного зерна, за вычетом затрат на электроэнергию, затраченную в процессе шелушения:

Ятах(пД) = Кш (п,П) • П-(Цш-Ц0)-Щд(п,П) -П-Цэл-10'3, (5.1) где П— производительность шелушителя, т/ч; Кш(п,П) — коэффициент шелушения, %; ЫУд(п,П) — удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т; Цш - цена шелушенного зерна, руб/т; Ц0 - цена не шелушенного зерна, руб/т; Цэл - цена электроэнергии, руб/кВт-ч.

Определение параметров п и П, соответствующих максимуму функции (5.1) осуществляется на ПК с использованием программы МаШСАБ численным методом. При решении задачи оптимизации необходимо задавать область допустимых решений (ограничения).

5.2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для решения задачи поиска оптимальных параметров работы шелушителя

Решение данной нелинейной задачи оптимизации возможно лишь численными методами, с использованием специальных прикладных задач. Наиболее удобным программной оболочкой, позволяющей решить задачи подобного типа, является система компьютерной математики МаШСАБ. Однако прежде чем приступить к написанию специализированного программного модуля (рабочего листа) для расчета необходимо разработать алгоритм работы программы.

Структурная схема алгоритма нахождения оптимальных конструктивных параметров работы малогабаритного шелушителя представлена на рис. 57. Процедура поиска оптимальных решений включает в себя несколько этапов:

1. Ввод оператором исходных данных и диапазон поиска оптимальных решений;

2. Расчет теоретической производительности и коэффициента шелушения, удовлетворяющих исходным данным;

3. Сравнение расчетных значений с минимально допустимыми;

4. В случае не удовлетворения последнего условия выдается сообщение об ошибке, и возврат в начало программы для корректировки исходных данных;

5. Из базы данных загружаются математические модели шелушителя, при необходимости, предусмотрена возможность их корректировки;

6. Решается задача оптимизации численным методом;

7. Результаты вычислений выводятся на печать.

Рис. 57. Структурная схема алгоритма расчета оптимальных параметров шелушителя для зерна

Программа расчета оптимальных параметров шелушителя реализована в системе компьютерной математики MathCAD-2001. Рабочий лист программы представлен в прил. 8. Обработка программы проводилась на ПК с процессором Intel Pentium IV ЗГТц.

При решении задачи пользователю необходимо задать диапазон изменения переменных, входящих в расчетный блок: минимально и максимально допустимый коэффициент шелушения — Km in и Ктах\ минимальную и максимальную скорость вращения ротора шелушителя - nmin и птах, а также текущую стоимость тонны неошелушенного и шелушенного зерна (переменные Ц0 и Цш), стоимость кВт-ч электроэнергии - Цэл.

В расчетном блоке представлены математические модели параметров процесса шелушения: К(п,Р) — коэффициент шелушения, как функция от частоты вращения ротора (п) и производительности (Р) шелушителя; N(n,P) — удельные затраты электроэнергии, как функция от частоты вращения ротора (п) и производительности (Р) шелушителя. При необходимости, эти функции могут быть легко откорректированы. Критерий оптимальности (5.1) записан в виде функции R(n,P) (см. прил. 8).

Для поиска значений переменных п и Р, при которых функция R(n,P) имеет максимальное значение, в программе используется функция maximize (R,n,P). Эта функция используется в составе блока решения, открываемого директивой Given, и возвращает вектор неизвестных, при которых заданная функция имеет максимальное значение. Внутри блока располагаются ограничительные условия в виде неравенств. Перед блоком задаются начальные значения искомых переменных.

Результатом решения является оптимальная частота вращения ротора, оптимальная производительность, расчетный коэффициент шелушения, расчетные удельные затрат электроэнергии и значение целевой функции.

5.3. Пример решение задачи оптимизации

При решении задачи нахождения оптимальных параметров работы шелушите ля использованы следующие постоянные величины: Удельный расход электроэнергии Nyd = 8 — 25 кВт-ч/т; Крупность абразивных зерен ^ = 125 и 100 мкм; Влажность продукта W= 12 %; Цена не шелушенного зерна, Ц0 = 3,6 руб/кг; Цена шелушенного зерна, Цш = 3,64 руб/кг; Цена за электроэнергию, Цэл = 1,36 руб/кВт-ч. Рассмотрено три варианта работы шелушителя:

1. Определение переменных, входящих в функцию оптимальности, при которых данная функция принимает минимальное значение. При этом, переменные имеют широкий диапазон варьирования:

Коэффициент шелушения Кш— 10-90 %; Частота вращения ротора шелушителя п = 1200 — 2200 об/мин; Диапазон производительности шелушителя: П = 200 — 400 кг/ч. Результатом решения являются следующие значения.

- оптимальная частота вращения ротора шелушителя: п = 1799 об/мин;

- оптимальная производительность: П= 358 кг/ч; -оптимальный коэффициент шелушения: Кш = 46 %;

- удельные затраты электроэнергии: Nyd = 12,25 кВтч;

- значение целевой функции оптимизации: R(n,ü') = 683,9.

2. Определение переменных, входящих в функцию оптимальности, при которых требуемый коэффициент шелушения в 85% достигается за два прохода продукта. При этом, переменные имеют следующий диапазон варьирования:

Коэффициент шелушения Кш = 58 - 65 %; Частота вращения ротора шелушителя п = 1200 - 2200 об/мин; Диапазон производительности шелушителя: П= 200 - 400 кг/ч. Результатом решения являются следующие значения.

- оптимальная частота вращения ротора шелушителя: п = 1762 об/мин;

- оптимальная производительность: П = 279,6 кг/ч;

- оптимальный коэффициент шелушения: Кш= 58 %;

- удельные затраты электроэнергии: Иуд = 15,18 кВтч;

- значение целевой функции оптимизации: Я(п,П) = 642,9.

3. Определение переменных, входящих в функцию оптимальности, при которых требуемый коэффициент шелушения в 85% достигается за один проход продукта. При этом, переменные имеют следующий диапазон варьирования:

Коэффициент шелушения Кш- 85 - 95 %;

Частота вращения ротора шелушителя п = 1200 - 2200 об/мин;

Диапазон производительности шелушителя: П = 200 - 400 кг/ч.

Результатом решения являются следующие значения.

- оптимальная частота вращения ротора шелушителя: п = 1940 об/мин;

- оптимальная производительность: 77 = 200 кг/ч;

- оптимальный коэффициент шелушения: Кш- 86 %;

- удельные затраты электроэнергии: Иуд = 20 кВтч;

- значение целевой функции оптимизации: Я(п,П) = 625,7.

5.4. Производственные испытания малогабаритного шелушителя горизонтального типа

По результатам аналитических и экспериментальных исследований была разработана конструкторская документация и изготовлен на ЗАО «Ремонтно-механический завод» (г. Челябинск) опытный образец малогабаритного шелушителя горизонтального типа для шелушения зерновых культур.

В 2001 г. опытный образец шелушителя был испытан да данном заводе. Для сравнения результатов, полученных в ходе испытания экспериментального шелушителя использовался промышленный шелушитель А1-31ПН-3.

По данным, предоставленными специалистами ЗАО «Ремонтно-механический завод» (прил. 9) можно засвидетельствовать следующую практическую значимость результатов исследований.

При проведении промышленных испытаний было установлено, что при однократном пропуске через малогабаритный шелушитель такой культуры, как ячмень, коэффициент шелушения по сравнению с машиной А1-3111Н-3 повысился в среднем на 5%.

Было выяснено, что шелушитель, разработанный на кафедре ТОПХ МГУ 1111, по уровню удельного расхода энергии выгодно отличается от других машин, работающих по аналогичному принципу.

Удельный расход энергии при применении малогабаритного шелушителя при обработке ячменя по сравнению с А1-311Ш-3 снизился в среднем на 20%.

Кроме этого, при проведении промышленных испытаний не применялись такие операции, как предварительная сортировка партий зерна по крупности перед шелушением и его гидротермическая обработка, что позволило отказаться от использования дополнительного оборудования.

Следует отметить, что малогабаритный шелушитель оснащен абразивными кругами промышленного изготовления, не требующими специального заказа на их выпуск.

Монтаж, демонтаж, ремонтное обслуживание в процессе работы шелушителя достаточно просты и не требуют применения специального инструмента и высоко квалифицированного обслуживающего персонала.

В результате внедрения шелушителя данной конструкции на частных и фермерских хозяйствах затраты на процесс шелушения ячменя по сравнению с А1-3111Н-3 снизились в среднем на 12%.

Результаты исследований с 1999 г. используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов» для студентов специальностей 1706 и 2301 (прил. 10).

Заключение и общие выводы

Целью проведенных исследований является повышение эффективности процесса шелушения ячменя (для дальнейшего использования в составе комбикормов) путем совершенствования и оптимизации конструктивно-технологических параметров шелушителя для малого хозяйства. В рамках поставленной цели определен круг актуальных задач и приведены их решения.

Совокупность выполненных работ обладает всеми признаками научной квалификационной работы, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение в масштабах отрасли. В работе изложены научно-обоснованные технические разработки малогабаритного шелушителя с абразивными рабочими органами, обеспечивающие оптимальное сочетание выходных параметров процесса шелушения — максимальной эффективности при наименьших энергозатратах на процесс шелушения. Введены новые научные категории и понятия, раскрывающие представления о подходах к проектированию малогабаритных шелушителей для зерна; применены новые методы и инструменты исследований; разработаны и научно обоснованы предложения о программных средствах, используемых в процессе проектирования шелушителей.

На основе теоретических и экспериментальных исследований, получены следующие новые результаты:

1. Повышение кормового достоинства зерна ячменя может быть достигнуто его предварительным шелушением. Из злаковых культур зерно ячменя является самым трудношелушимым, так как обладает наибольшей прочностью связи оболочек с ядром. Задача по разработке малогабаритного шелушителя, который можно было бы использовать в условиях небольшого частного хозяйства является актуальной, т.к. в последние годы закупать комбикорма на комбикормовых заводах стало экономически не целесообразно в связи с возросшими транспортными расходами.

2. Экспериментально определены физико-механические свойства исходного сырья, исследованы прочностные характеристики исходного ячменя для фракций различной крупности. В результате статистической обработки результатов исследований получены эмпирические зависимости усилия разрушения от влажности продукта для пяти, различных по крупности, фракций ячменя. Установлено, что для разрушения более крупных зерен требуется большее усилие. С увеличением влажности продукта усилие разрушение снижается.

3. Определены зависимости коэффициента трения ячменя по абразивной поверхности с различной крупностью шлифзерен. Установлено, что крупность шлифзерен в пределах 63 - 125 мкм, при одной и той же влажности продукта, не оказывает большого влияния на коэффициент трения.

4. В результате аналитических исследований получены формулы:

- для определения производительности шелушителя с горизонтальным абразивным ротором;

- для нахождения момента внутренних сил вязкости распределенных по окружности, описываемой рабочую зону шелушителя;

- для определения крутящего момента и мощности привода шелушителя с горизонтальным абразивным ротором.

- установлено, что момент сил вязкости зависит от динамической вязкости среды, окружной скорости ротора, радиуса абразивного цилиндра и внутреннего радиуса шелушителя;

5. Показана возможность использования современных компьютерных САЕ -систем для моделирования кинетики сыпучей зерновой среды в шелушителе с вращающимся абразивным ротором. В результате компьютерного моделирования получены кривые траектории движения продукта в рабочей зоне шелушителя (линии тока), определены значения скоростей и давления в зерновой смеси для различных точек рабочей зоны шелушителя при различных конструкционных и технологических параметрах шелушителя

6. Установлено, что при использовании абразивных кругов с крупностью зерен 125 мкм в конце рабочей зоны шелушителя имеет место повышенное выкрашивание эндосперма. Для стабилизации процесса шелушения по длине рабочей зоны предложено использовать пять первых абразивных кругов с крупностью шлифзерен 125 мкм, а трех последующих с крупностью зерен абразива - 100 мкм.

7. Исследовано влияние крупности шлифзерен на коэффициент шелушения ячменя. Установлено, что при увеличении крупности шлифзерен с 65 мкм до 125 мкм коэффициент шелушения увеличивается, но в месте с тем возрастает и относительное содержание эндосперма в проходовой фракции продуктов шелушения. В результате статистической обработки результатов исследований на ПК получено уравнение двумерной регрессии зависимости коэффициента шелушения Кш от крупности шлифзерен ц и производительности П.

8. Исследована возможность повышения эффективности шелушения путем задержки зерна в рабочей зоне шелушителя на 30 - 90 сек. Эксперименты показали, что для достижения требуемого коэффициента шелушения (85 %) необходима задержка продукта на 60 сек. Но это приводит к снижению производительности шелушителя в 2,5 раза (с 300 кг/ч до 120 кг/ч), следовательно, таким образом повышать коэффициент шелушения не целесообразно.

9. Изучен эффект от установки различных дополнительных конструктивных элементов на качественные показатели работы шелушителя. Результаты экспериментов показали, что установка двух пластин, возвращающих зерновой поток в рабочую зону позволяет значительно увеличить коэффициент шелушения (на 14 %), при снижении производительности на 8 %.

10. По результатам экспериментальных исследований получены математические модели процесса шелушения. В результате статистической обработки результатов экспериментов на ПК с использованием программы «МаЛСАЕ)» получены следующие уравнения двумерной регрессии:

- для зависимости коэффициента шелушения от частоты вращения ротора п и производительности шелушителя Я:

- для зависимости коэффициента шелушения от влажности зерна IV и производительности Я шелушителя:

- для зависимости удельного расхода энергии Л^ одновременно от двух параметров - частоты вращения ротора п и производительности Я.

11. Сформулирована и решена задача оптимизации процесса шелушения ячменя. В качестве критерия оптимальности Я выбрана нелинейная функция прибыли хозяйства, которая ожидается в результате применения данного шелушителя.

12. Разработан алгоритм и программное обеспечение для поиска оптимальных конструктивных параметров работы шелушителя. В результате решения данной задачи на ПК, в системе МаШСАГ) были найдены оптимальные значения производительности и частоты вращения ротора шелушителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Таранин, Сергей Александрович, 2005 год

1. Абрамов С.Ю. Влияние влажности и температуры зерна на эффективность его переработки: Дис. . канд. техн. наук —М., 1984. -137 с.

2. Авдусь П.Б. Определение качества зерна, муки и крупы. М.: Колос, 1976.-с. 150-167.

3. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. — М.: Металлургия, 1969. -157 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука, 1971.-283 с.

5. Александров В.Г. О строении эндосперма зерновки злака // Ботанический журнал, 1939. -Т.24.

6. Алямовский A.A. и др. Компьютероне моделирование в инженерной практике / Алямовский A.A., Собачкин A.A., Одинцов Е.В., Харитонов А.И., Понамарев Н.Б. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

7. Аммосова A.M. Исследование технологического процесса шелушения хлопковых семян: Дис. . канд. техн. наук —М., 1963. —143 с.

8. Анискин В.И. Гигроскопические свойства зерна различных культур. М.: Колос, 1967. -86 с.

9. Афанасьев В.А. Исследование тепловой обработки ячменя с применением ИК-нагрева при производстве комбикормов: Дис. . канд. техн. наук М., 1979. -179 с.

10. Бабиченко JI.B. Исследование крахмала взорванных зерен с помощью сканирующего микроскопа // Известия ВУЗов СССР, Пищевая технология, 1973.-N6.

11. И. Бабиченко JI.B. Изменение ультраструктуры крахмального зерна гречихи при тепловой обработке // Известия ВУЗов СССР, Пищевая технология, 1978. -N2.

12. Бардышев Г.М. Справочник мукомола, крупянщика, комбикормщика. -М.: Колос, 1973. -225 с.

13. Баум А.Е., Юкиш А.Е. Прогрессивная технология хлебоприемных и зерноперерабатывающих предприятий. М.: Колос, 1978. -с. 67-73.

14. Баум А.Е. Производство, хранение и переработка зерна в Швеции. М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1979. -с. 54-65.

15. Белиловская A.C., Зенкова А.Н. Об основных признаках и показателях физико-механических свойств крупяного ячменя // Труды ВНИИЗ, 1954.-Вып. 53. -с. 129-144.

16. Белиловская A.C. Изменение структурно-механических свойств зерна в результате ГТО // ВНИИЗ, Тезисы докладов, 1960. -с. 34-40.

17. Берестов А.П. Совершенствование шелушения и ГТО овса: Дис. . канд. техн. наук М., 1987. -179 с.

18. Беркутова Н.С. Некоторые особенности микроструктуры зерна пшеницы // Мукомольно-элеваторная промышленность, 1970. -N8. -с. 19-20.

19. Беркутова Н.С., Швецова И.А. Микроструктура пшеницы. М.: Колос, 1977. -187 с.

20. Браслин С.Н. Совершенствование технологии выделения ядра с целью выработки гречневой крупы улучшенного качества: Дис. . канд. техн. наук-М., 1983.-169 с.

21. Братухин А.М., Суровегин И.А. Исследование процесса обработки зерна ржи в шелушильных машинах ЗШН // Труды ВНИИЗ, 1969. -Вып. 66. -с. 77-85.

22. Бродская И.А. Комбикормовая промышленность за рубежом // ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР, Хранение и переработка зерна, экспресс-информация, 1989. -Вып. 7. —22 с.

23. Бродская Л.Г. Комбикормовая промышленность социалистических стран // ЦНИИТЭИ Минзага СССР, Комбикормовая промышленность, экспресс-информация, 1986. -Вып. 4. -16 с.

24. Бродская И.А., Паукова М.В. Комбикормовая промышленность за рубежом // ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР, Хранение и переработка зерна, экспресс-информация, 1988. -Вып. 2. -24 с.

25. Бутко В.П. Исследование плотности зерна пшеницы как перспективного показателя оценки его технологических свойств: Дис. . канд. техн. наук -М., 1973.-145 с.

26. Бутковский В.А., Гафнер JI.A. Эксплуатация оборудования мельниц и крупозаводов.-М.: Колос, 1974.-е. 143-152.

27. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства. М.: Колос, 1975. - 237 с.

28. Бывайков М. Е. Исследование и разработка алгоритмов и программных методов для прогнозирования трендов параметров технических объектов. Автореф. дис. канд. техн. наук. -М., 1989. 17 с.

29. Вайнберг А. А. Надёжность оборудования предприятий по хранению и переработке зерна. Учебное пособие для вузов по специальности "Машины и аппараты пищевых производств". -Киев: Одесса: Высшая школа, 1986. -406 с.

30. Вайнштейн Б.Н. Абразивы и абразивные инструменты. Конспект лекций. Пермь: Перм. политехнический ин-т, 1976. —49 с.

31. Винников Т.И., Сенаторский Б.В. Основные направления развития и совершенствования комбикормового производства за рубежом // ЦНИИТЭИ Минзага СССР, Комбикормовая промышленность, экспресс-информация, 1978. -Вып. 7. -16 с.

32. Галицкий P.P. Оборудование зерноперерабатывающих предприятий. М.: Агропромиздат, 1990.-е. 136-148.

33. Галкин A.B. Указатель действующих государственных, отраслевых стандартов и технических условий в пищевой промышленности. М., 1976. -53 с.

34. Гафиер JI.A. Основы технологии приема, хранения и переработки зерна. -М.: Колос, 1975. -с. 281-296.

35. Георги Н.В. Новые виды технологического оборудования для переработки зерна. Одесский технол. ин-т пищевой промышленности им. М.В. Ломоносова. Киев, 1991. -116 с.36.