На правах рукописи

БОРИСОВ АЛЕКСЕЙ ПАВЛОВИЧ

РЕЖИМЫ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ЗЕРНА ПОСРЕДСТВОМ

МАЯТНИКОВОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 –

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул – 2009 2

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ В.Л. Злочевский (ГОУ ВПО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И. Земсков (ФГОУ ВПО Алтайский государственный аграрный университет) кандидат технических наук В.И. Костров (Администрация Алтайского края. Управление пищевой, перерабатывающей и фармацевтической промышленности) Ведущее предприятие: Алтайский научно-исследовательский институт сельского хозяйства (г. Барнаул)

Защита состоится "24" декабря 2009 г. в "13-00" часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при Алтайском государственном техническом университете по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

Факс: (3852) 36-71- www.altu.secna.ru; [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Автореферат разослан "23" ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Куликова Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из основных этапов Актуальность проблемы.

технологического процесса любого зерноперерабатывающего предприятия является измельчение зерна и промежуточных продуктов размола.

Практика показала, что наиболее эффективное решение - это постепенное (поэтапное) извлечение эндосперма. Принцип такой технологии заключается в первоначальном грубом дроблении зерна, в получении промежуточных фракций, а затем в раздельном измельчении фракций различной крупности.

Потенциальные технологические ресурсы типичного зерна весьма велики. Оно содержит от 78% до 84% эндосперма с зольностью 0,35 – 0,55%.

Это значит, что при полном использовании зерна можно было бы выработать до 84% муки высоких сортов. Однако при достигнутом в последние годы общем выходе сортовой муки 78% и действующих нормах качества еще имеется разрыв между потенциальными возможностями и фактическим использованием зерна, свидетельствующим о наличии резервов в мукомольной промышленности.

Основным оборудованием зерноперерабатывающих предприятий для измельчения зернового сырья в муку являются вальцовые станки, рабочим органом которых является пара валков расположенных параллельно друг другу и вращающихся в противоположные стороны с разными скоростями.

Недостатком этих машин является переизмельчение зерна, чрезмерный нагрев продукта и высокие энергозатраты, что ведет к ухудшению качества вырабатываемой муки.

Целью данной работы является повышение технологической эффективности разрушения зерновых материалов посредством изучения энергетических характеристик и снижения энергозатрат с повышением выхода круподунстовых продуктов.

Для достижения поставленной цели в диссертации были определены и решены следующие задачи:

1) экспериментальное определение энергетических характеристик процесса разрушения зернового материала;

2) разработка механико-технологических режимов процесса разрушения зерновых материалов маятниковым измельчителем;

3) разработка системы управления автоматизированного электропривода маятникового измельчителя;

4) разработка состава и структуры автоматизированного рабочего места (АРМ) для определения энергетических характеристик при разрушении зерновых материалов.

Методы исследования. Основные результаты выполненной работы получены с использованием как стандартных, так и оригинальных методик экспериментальных исследований процессов измельчения зернового материала.

Размол зернового материала производили с помощью разработанного на кафедре МАПП ГОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова и запатентованного маятникового измельчителя.

Система управления процессом размола зернового материала основана на разработанном и запатентованном электроприводе с низкочастотном однофазно-трёхфазном полупроводниковом преобразователе частоты, ведомом сетью.

Процессы регистрации затрат энергии на разрушение зернового материала регистрировались оригинальной методикой, которая обеспечивает сбор данных и их обработку с использованием компьютерной техники.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивалась использованием современных серийных приборов, технологического оборудования, компьютерной техники, достаточным количеством повторений опытно-экспериментальных исследований, а также получением адекватных практических результатов.

Научная новизна работы:

1. Разработана оригинальная методика процесса разрушения зернового материала с использованием автоматизированного рабочего места посредством созданного алгоритма работы системы автоматического управления данным процессом.

автоматического управления маятниковым измельчителем и определены рациональные режимы технологического процесса.

3. Определены значения основных параметров (энергозатраты, производительность) и произведено сравнение с существующими методами размола зернового материала.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и изготовлен оригинальный маятниковый измельчитель.

2. Разработаны структурная и электрическая схемы системы автоматического управления и изготовлен блок автоматического управления процессом размола зернового материала с помощью маятникового измельчителя.

3. Разработан и изготовлен оригинальный низкочастотный однофазно-трёхфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью.

4. Выполнена апробация разработанного автоматизированного рабочего места для измельчения зернового материала в опытноэкспериментальном режиме на базе ГОУ ВПО Алтайского Государственного Университета им. И.И. Ползунова, подтвердившая работоспособность устройства в области рекомендуемых режимов размола и рекомендованная для внедрения в учебный процесс по специальностям «Машины и аппараты пищевых производств» и «Технология переработки зерна».

производственной компанией ЗАО «Союзмука» с целью совершенствования процесса измельчения зерновых материалов, позволяющего использовать автоматизированное рабочее место как предсистему перед дранными системами.

6. Рассмотренные материалы по измельчению зерновых материалов с применением предсистемы (маятниковый измельчитель) приняты к использованию при проектировании малогабаритных мельниц, выпускаемых промышленной группой «СТРОИТЕЛЕВ».

Результаты по разработке и исследованию режимов работы устройства бесконденсаторного запуска трёхфазного электродвигателя от однофазной сети доложены на конференции «Наука и молодежь – 2008», IV Всероссийской научно-практической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы 2009» и девятой международной научнопрактической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств 2009», а также на крупнейшей агропромышленной выставке Сибири «Алтайская Нива 2009».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Основы процесса разрушения зернового материала посредством взаимодействия колеблющейся маятниковой поверхности и опорной.

2. Алгоритм система автоматического управления (САУ) движения маятникового измельчителя.

3. Разработка технологических основ измельчения для первичного разрушения зерновых материалов с использованием предсистемы и ее использование в существующем технологическом процессе производства муки.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на региональных конференциях по вопросам современных технологий и автоматизации управления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретение РФ, 1 патент на полезную модель и 1 положительное решение на выдачу патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 158 страницах, содержит 68 рисунков, 26 таблиц и приложения.

Автор выражает благодарность за оказанную помощь сотрудникам кафедры «Машины и аппараты пищевых производств», в частности С.А. Троцко, заведующему кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств» к.т.н., профессору В.П. Тарасову, а также профессору кафедры «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» М.И. Стальной, которая осуществляла консультирование по вопросам электропривода.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ существующей проблемы размола зерновых материалов и наиболее распространенные способы ее решения, а также обзор оборудования для размола зерновых материалов.

Измельчение рассматривается как процесс производства (приращения) поверхности частиц зерна, то есть образование новых поверхностей составляет основное содержание всякого процесса измельчения. С точки зрения получения муки различных сортов к процессу измельчения зерновых устанавливают требуемые размеры или крупность частиц. Однако, чтобы дать энергетическую оценку процессов измельчения, этого недостаточно. Необходимо знать степень измельчения материалов.

Степень измельчения iиз это отношение средних размеров Dм, Lм кусков материала до измельчения к средним размерам частиц продукта после измельчения (dм, 1м), то есть Вальцовый станок служит для измельчения продукта. Существенной частью его являются два металлических вальца, расположенных параллельно друг другу и вращающихся в противоположные стороны. Продукт подается равномерной тонкой лентой посредством питающего механизма и подвергается измельчению при прохождении в зазоре между вальцами.

Среди факторов, влияющих на эффективность процесса измельчения зерновых продуктов, важное место отводится кинематическим и геометрическим параметрам вальцовых станков. К кинематическим параметрам относят окружные скорости быстро- и медленновращающегося вальцов vб и vм, а также отношение их скоростей.

К геометрическим параметрам вальцового станка относят: диаметр вальцов 2Rв, ширина щели (т. е. кратчайшего расстояния между вальцами) bв, размер входящего продукта ав; характер поверхности вальцов – рифленая или микрошероховатая; параметры рифления вальцов – число рифлей на единицу длины окружности вальца рр, уклон рифлей ур, профиль рифлей, взаимное расположение рифлей парно работающих вальцов, параметры микрошероховатости.

Производительность вальцового станка зависит в основном от условий входа зерна или промежуточных продуктов в зону измельчения.

Вторая глава посвящена разработке измельчителя маятникового типа, образованного двумя цилиндрическими поверхностями как в вальцовом станке, но одна из них – внешняя поверхность цилиндра, а другая – внутренняя, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема взаимодействия зернового материала с рабочими Очевидно, и процесс разрушения в данной схеме будет в значительной мере отличаться оттого, что происходит в вальцовом станке.

После захвата зерновки по схеме, показанной на рисунке 1, начинается процесс упругой и пластической деформаций. Когда достигается предел прочности оболочки, она раскрывается. Такое разрушение должно происходить по самому ослабленному месту оболочки – бороздке. Очевидно, что такой процесс несравним с резанием зерновки, как это происходит на первых драных системах, использующих рифленые валки.

Нижняя поверхность (рисунок 2) выполнена регулируемой. С помощью регулировки можно изменять геометрию рабочей зоны.

Конструкция измельчителя позволяет легко заменять рабочие поверхности.

Это открывает возможность исследовать разрушение зерна при различных характеристиках поверхностей и при различных геометрических параметрах рабочей зоны. Еще одной важной особенностью лабораторного комплекса является автоматизация процесса регистрации движения рабочего органа, выполненного в виде маятника, и дальнейшей обработки результатов измерений.

Рисунок 2 – Процесс разрушения зернового материала На первом этапе была использована неподвижная опорная поверхность, отрегулированная так, что угол захвата меньше удвоенного угла трения и зерновка продвигается маятником в рабочую зону, при этом возникает переменное нормальное давление и тангенциальное сдавливающее усилие, поскольку рабочая зона сужается по мере продвижения зерновки. В определенный момент оболочка разрушается, максимально раскрывая эндосперм. При дальнейшем продвижении в рабочей зоне происходит частичное разрушение эндосперма.

Также теоретически была определена производительность маятникового измельчителя: массовая – Wм=281 т в сутки; объемная – Qr = 7,49 м3 в сутки на 1 см длины цилиндров. Для сравнения, производительность вальцового станка составляет: массовая – 335,2 т в сутки; объемная – 8,94 м3 в сутки на 1 см длины валков, что говорит о целесообразности разработки маятникового измельчителя.

Основой поднятия маятниковой поверхности является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который имеет следующие преимущества: малые габаритные размеры, простую конструкцию, высокую надежность, отсутствие подвижных контактов, жесткие механические характеристики на рабочем участке.

Для питания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором от однофазной сети, была разработана и предложена схема на полупроводниковых преобразователях, которая позволяет добиться понижения скорости в несколько раз (рисунок 3) с использованием векторноалгоритмической коммутации (рисунок 4) полупроводниковых ключей.

Рисунок 3 – Транзисторный редуктор для питания трёхфазного короткозамкнутого двигателя, статорные обмотки которого соединены по Рисунок 4 – Векторно-алгоритмическая коммутация Также была разработана структура и принципиальная схема САУ управления движением маятниковой поверхности и определены ее основные компоненты, обеспечивающие необходимые функциональные возможности блоков САУ.

Важным элементом системы управления является определение положения маятникового измельчителя. Наиболее подходящим по технологическому заданию является инкрементальный цифровой механический датчик положения.

Используя инкрементальный датчик (энкодер), в соответствии с режимом работы и в результате проведения многочисленных исследований был выработан алгоритм работы маятникового измельчителя (рисунок 5) позволяющий обеспечить регулирование угла отклонения в пределах от 00 до 900.

С использованием разработанного алгоритма и транзисторного редуктора для питания трёхфазного короткозамкнутого двигателя, статорные обмотки которого соединены по типу «звезда», от однофазной сети была создана система автоматического управления процессом разрушения зернового материала (рисунок 6).

Данная система выполнена на основе промышленного контроллера SMH 2010 С, к которому подключены основные блоки, реализующие движение маятникового измельчителя.

Общий вид маятникового измельчителя представлен на рисунке 7.

Третья глава посвящена методике проведения эксперимента для определения основных характеристик маятникового измельчителя, а также использование АРМа для измельчения зерновых материалов в качестве предсистемы в существующей технологической линии.

Оценка эффективности использования оборудования применительно к конкретному технологическому процессу и обрабатываемым материалам требует проведения экспериментальных исследований с целью определения основных технологических и эксплуатационных характеристик устройств.