Плющение зерновых материалов в клиновидном зазоре, образованном неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями

Актуальность исследования.

Плющение является распространенной технологической операцией в переработке зерна.

При приготовлении комбикормов, главным образом для молодняка животных, плющатся зерновые компоненты, а также фуражное зерно непосредственно перед его раздачей животным в фермерских хозяйствах или с последующим его консервированием. На сельских мини-мельницах плющение используется для предварительного разрушения зерна перед направлением его на драные системы при помолах ржи или в сокращенных схемах сортовых помолов пшеницы [65]. Кроме того, операция плющения в совокупности с водно-тепловой обработкой [35] широко используется в производстве крупяных хлопьев, мюсли, быстроразваривающихся круп и круп, не требующих варки.

Основной машиной для плющения зерновых материалов является плющильный вальцовый станок. Плющение в нем происходит в клиновидном зазоре между двумя параллельными валками, вращающимися навстречу друг другу с одинаковыми окружными скоростями или с небольшим дифференциалом.

В настоящее время в России и странах СНГ плющильные вальцовые станки изготавливают: объединение «Марийагромаш» г. Йошкар-Ола, республика Марий-Эл, предприятия Украины: объединение «Агросимомашбуд», предлагающее комплексные линии по производству зерновых хлопьев, объединение «Бриг», ЗАО «Институт Укроргстанкинпром» («Станкинпром»). Выпускаемые этими предприятиями плющильные вальцовые станки уступают [35] по конструктивному исполнению станкам мировых лидеров производства зерноперерабатывающего оборудования, таких как.

ВиЫег". Основным недостатком плющильных станков является высокое удельное энергопотребление.

Для повышения эффективности процесса плющения зернового материала его деформация должна осуществляться наиболее энергоэффективным способом, исходя из особенностей строения зерновок, при одновременной минимизации затрат энергии на привод рабочих органов.

Одним из направлений повышения эффективности процесса плющения является способ деформационного воздействия на зерновой материал в клиновидном зазоре между неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями. Техническое решение этого способа заключается в использовании в качестве рабочего органа цилиндра, совершающего маятниковые колебания относительно неподвижной опорной поверхности, на которую подается зерновой материал.

Таким образом, исследования, направленные на снижение энергоемкости процесса плющения зерновых материалов, являются актуальной научной задачей.

Цель диссертационной работы: повышение технологической эффективности процесса плющения зерновых материалов (на основе зерна пшеницы).

Научная гипотеза.

Повышение эффективности процесса плющения зерновых материалов обеспечивается тем, что в результате неподвижности зерновок на опорной поверхности в процессе плющения они деформируются преимущественно по толщине, что приводит к первоначальному разрушению зерновок в наиболее слабом сечении — по бороздке — и дальнейшему сжатию их до установленной величины, это максимально вскрывает эндосперм зерновок и увеличивает их общую поверхность, а привод одного подвижного рабочего органа снижает энергоемкость процесса плющения за счет отсутствия потерь энергии в передаточных механизмах и холостом ходе второго рабочего органа.

Объект исследования — процесс плющения зерновых материалов в клиновидном зазоре, образованном неподвижной криволинейной поверхностью и колеблющейся, совершающей вращение на оси за счет фрикционных сил, возникающих при взаимодействии с обрабатываемым продуктом.

Предмет исследования — закономерности формирования продуктов плющения зерновых материалов в клиновидном зазоре между неподвижной и колеблющейся криволинейными поверхностями.

В качестве теоретической основы исследования использованы научные труды ученых в области изучения физико-химических, структурно-механических, технологических и других свойств зерна, в области исследования деформаций зерна, поведения его при разрушении, а также основные положения и законы теоретической механики.

В информационную базу исследования легли данные и сведения из различных книг, журнальных статей, научных отчетов, официальные положения из правил организации и ведения технологических процессов на зерноперерабатывающих предприятиях, патенты, а также Интернет-ресурсы.

Научная новизна.

1) Разработан способ и установлены закономерности деформации зерновых материалов посредством взаимодействия цилиндра, свободно вращающегося на оси и совершающего маятниковые колебания, и неподвижной опорной поверхности большего радиуса.

2) Установлено, что воздействие рабочих органов маятниковой плющильной установки на зерновой материал, неподвижно расположенный на опорной поверхности, определяет характер его разрушения преимущественно в одном направлении, что обеспечивает снижение энергозатрат в сравнении с другими направлениями сжатия и получение однородных по форме и размеру хлопьев.

Практическая значимость исследования.

1) Теоретические результаты работы позволяют производить расчет геометрических и технических параметров рабочих органов для разработки плющильного станка.

2) Выявленные закономерности процесса плющения зерна пшеницы на маятниковой установке позволяют выбрать наиболее эффективные технологические параметры плющения зерновых материалов данным способом.

3) Результаты исследования используются в лекционном курсе и лабораторном практикуме по дисциплине «Физико-механические свойства сырья», а также в тематике выпускных квалификационных работ по специальности 260 601 — «Машины и аппараты пищевых производств» (см. приложение).

4) Разработана конструкция устройства для плющения зерна (патент РФ на изобретение № 2 378 053 «Устройство для плющения зерновых материалов»), что позволило сформировать техническое задание и заключить договор с промышленной группой «Строителев» (г. Барнаул) на проектирование и изготовление опытного образца маятникового плющильного станка с производительностью 1,8 т/ч (см. приложение).

Достоверность полученных результатов подтверждается правильным выбором методов исследований, достоверными исходными данными при математическом моделировании, воспроизводимостью экспериментально полученных результатов и достаточной сходимостью данных.

Апробация результатов исследования.

Основные положения по результатам исследования докладывались на научно-практических конференциях:

1) «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», IX научно-практическая конференция, 14−15.12.2006 г., г. Барнаул, АлтГТУ.

2) «Наука и молодежь», VI Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, апрель 2009 г., г. Барнаул, АлтГТУ.

3) «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», XII международная научно-практическая конференция, 17.11.2009 г., г. Барнаул, АлтГТУ.

Результаты исследования были опубликованы в следующих изданиях:

1) Чикина, Е. Ю. Изучение процесса разрушения зерна посредством колеблющихся поверхностей как перспективный способ измельчения зерновых продуктов [Текст] / Е. Ю. Чикина // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы десятой междунар. науч.-практ. конф. (11−12 дек. 2007 г.) / Под ред. В.П. КоцюбыАлт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. — Барнаул, 2007. — 321 с.

2) Чикина, Е. Ю. Плющение зерна посредством криволинейных колеблющихся поверхностей [Электронный ресурс] / Е. Ю. Чикина, С. Ю. Антощенко // Наука и молодежь: материалы Шестой Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (апрель 2009 г.)/ЬНр://еёи.8еспа.ш/риЬН8Ь^опгоп1уоЬгагоуап1а/2009/п11/шт2009/ nim2009. htm/ - Барнаул, 2009.

3) Злочевский, В. Л. Устройство для плющения зерна маятникового типа [Текст] / В. Л. Злочевский, Е. Ю. Чикина // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2009. — № 6. — с. 57−62.

4) Чикина, Е. Ю. Математическая модель плющения зерна посредством качающегося цилиндра и неподвижной криволинейной поверхности [Текст] / Е. Ю. Чикина // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы двенадцатой междунар. науч.практ. конф. (17 нояб. 2009 г.) / Под общей ред. О. Н. Тереховой. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. — 434 е.: ил.

5) Патент № 2 378 053 Российская Федерация, МПК В02С 4/10 (2006. 01), В02С 15/04 (2006. 01) Устройство для плющения зерновых материалов / В. Л. Злочевский, Д. А. Сорокин, Е. Ю. Чикина, E.H. Попокзаявл. 22.09.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. — 7 с.:ил.

6) Злочевский, В. Л. Совершенствование процесса плющения зерновых материалов [Текст] / В. Л. Злочевский, Е. Ю. Чикина // Комбикорма. — 2010. -№ 4.-c.33−35.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 152 страницы, из них 37 рисунков, 28 таблиц. Библиографический список включает 90 источников.

Общие выводы.

1) Анализ современных способов и средств деформирования и разрушения зерновых материалов показал, что, как правило, зерно обрабатывается в клиновидном или серповидном зазоре, образованном одним неподвижным, а другим вращающимся рабочими органами или двумя вращающимися рабочими органами. Воздействие колеблющегося рабочего органа на объект используется в различных по назначению лабораторных приборах. Установлено, что для плющения зерновых материалов используется вальцовый станок, в котором процесс деформирования осуществляется в клиновидном зазоре между двумя параллельными вальцами, вращающимися навстречу друг другу с одинаковыми окружными скоростями. Выявлено, что основным недостатком плющильных вальцовых станков является высокое энергопотребление на единицу производительности.

2) Разработана конструктивная схема и изготовлена экспериментальная установка для плющения зерновых материалов с рабочими органами в виде неподвижной опорной и колеблющейся цилиндрической поверхностей. Получены теоретические формулы для расчета геометрических параметров основных рабочих органов маятниковой плющилки, которые могут быть использованы для разработки промышленного образца плющильного станка с маятниковым рабочим органом. Для маятниковой плющилки с производительностью 1,8 т/ч рекомендованы следующие параметры:

— длина подвеса цилиндра 400 мм;

— радиус цилиндра 150 мм;

— длина цилиндра и ширина опорной поверхности 800 мм;

— длина опорной поверхности 340 мм при рабочем угле 36°.

3) Проведено теоретическое изучение деформации обрабатываемого материала в клиновидном зазоре между колеблющейся и неподвижной криволинейными поверхностями. Получена математическая модель движения маятника при взаимодействии с обрабатываемым продуктом, устанавливающая зависимость параметров колебаний маятника и силовых факторов воздействия на зерновой материал с его структурно-механическими свойствами и величиной деформации в процессе плющения. Данная модель позволяет теоретически определять количество энергии, затраченное маятником на процесс плющения за один рабочий ход.

4) Установлены теоретические зависимости для расчета параметров рабочих органов маятниковой плющильной установки, обеспечивающих процесс плющения. К ним относятся:

— минимально допустимый радиус цилиндра по условию захвата зерновки, который определяется размерами зерновок и их коэффициентом трения о поверхность рабочих органовдля зерна пшеницы средней фракции при угле трения 20° установлен минимальный радиус цилиндра 13,3 мм;

— коэффициент трения зерновки об опорную поверхность, величина которого обеспечивает неподвижность зерновок в процессе воздействия на них цилиндра и зависит от геометрических параметров рабочих органов и зерновок и коэффициента трения зерновок о поверхность цилиндрав экспериментальной установке для зерна пшеницы средней фракции с коэффициентом трения о поверхность цилиндра 0,3 коэффициент трения об опорную поверхность должен быть не менее 0,28.

5) Установлено, что способ плющения зерновых материалов посредством неподвижной и колеблющейся криволинейных поверхностей при неподвижном положении зерновок в процессе плющения позволяет создавать условия деформирования и разрушения, в результате которых сжатие зерновок происходит, в основном, по наименьшему размеру — по толщине, что приводит к «разворачиванию» зерновок по бороздке. Это позволяет максимально раскрыть поверхность зерновок и получать более выровненные по форме и размерам хлопья.

6) Экспериментально определено, что основным параметром, влияющим на энергоемкость процесса плющения в установке маятникового типа, является поступательная скорость цилиндра. В исследованном диапазоне скоростей 0,5−0,78 м/с наименьшие энергозатраты на плющение зерна были получены при скорости 0,5 м/с для различных фракций зерна. Величина поступательной скорости цилиндра должна быть минимальной для снижения разрушающих усилий при плющении зерновых материалов, но достаточной для обеспечения заданной производительности установки. Теоретическая скорость центра масс цилиндра для установки с производительностью 1,8 т/ч должна быть 2,5 м/с при угловой скорости маятника 6,25 рад/с, цилиндра — 16,7 рад/с. Теоретическая мощность привода для данной производительности равна 43,2 кВт.

7) Годовой экономический эффект при применении маятниковой плющилки составляет 1 361 029,82 руб.