В результате проведенных экспериментальных исследований установлена динамика изменения модуля крупности измельченного зерна пшеницы сорта «Каргала» на экспериментальной установке для измельчения зерна. Установлено, что с увеличение кратности обработки с 1 до 5 и значений частоты вращения рабочего органа n с 800 до 3000 об/мин приводит к снижению значений модуля крупности измельченного зерна пшеницы. При этом установлено, что влажность обрабатываемого материала оказывает значительное влияние на изменение значений модуль крупности измельчаемого материала.
В соответствии с посланием Президента Республики Казахстан народу Казахстана «Новое десятилетие - новый экономический подъем - новые возможности Казахстана» Н.Назарбаев отметил, что одной из важнейших задач, стоящей перед АПК страны является обеспечение продовольственных запасов государства, при этом особое внимание необходимо уделить стимулированию производства важнейших продуктов питания, по которым не удовлетворяется потребности страны [1].
Зерноперерабатывающая промышленность Республики Казахстан во многом определяет продовольственную независимость государства. В условиях диверсификации структуры зернового производства особое значение приобретают вопросы переработки зерна [2-3].
Проведенный анализ технологии производства продуктов питания на зерновой основе показал, что основным, определяющим качество готового изделия, являются процесс измельчения зерна злаковых культур до размера, требуемого нормативно-технической документацией.
В этой связи с целью совершенствования технологического процесса разработана и изготовлена экспериментальная установка для измельчения зерновых культур (рис. 1). «Измельчитель - смеситель» которая содержит жестко закрепленную раму 1 с шарнирными подвесками 2, на которых установлена рабочая камера 3, представляющая собой наружный цилиндрический корпус 4 с загрузочными воронками 5 по количеству равным обрабатываемых компонентов, и сопряжена с нижней конической частью 6 образующие рабочую камеру измельчителя - смесителя с расположенным внутри рабочим органом.
Верхней части цилиндрического корпуса 4 расположен диск 7, на котором установлен приводной электродвигатель 8, соединенный с рабочим органом - цилиндрическим барабаном 12, состоящий из дисков 9 закрепленных, вертикальным валом 10, при этом ножевой механизмом, представляет собой криволинейные ножи 11 с заостренной рабочей кромкой и установленные по периметру радиально размещенных дисков 9.
 |
а)
б)
Рисунок 1 - Измельчитель-смеситель
Ножевой механизм размещен в сетчатом цилиндрическом барабане 12, нижняя часть которого неподвижно закреплена в корпусе 6, а верхняя часть посредством диска с электродвигателем 8 и рабочей камерой. С целью интенсификации подачи зерна в рабочую зону установки, на внутренней стороне нижней конической части корпуса 6, закреплены направляющие металлические прутки 13, предназначенные для равномерного распределения поступающего материала на обработку.
Устройство работает следующим образом. Обрабатываемый сыпучий материал подается из накопителей (на схеме не показаны) в приемные воронки 5, где распределяясь по прутковой поверхности конической части корпуса 6, направляется через отверстия сетчатого цилиндра 12 к вращающемуся ножевому механизму, который, захватывая, измельчает и смешивает различные компоненты обрабатываемого материала и направляет в приемные устройства для готовой продукции (на схеме не показаны). Криволинейные ножи 11 создают дополнительный воздушный поток, который ускоряет движение обрабатываемого материала, что позволяет увеличить производительность устройства и обеспечивает более качественное смешивание материала и быстрое удаление из рабочей зоны установки.
Подобное исполнение измельчителя - смесителя позволяет подвергать обрабатываемый материал однократному циклу деформации, быстрому удалению продуктов размола из рабочей зоны установки и получать более выравненный гранулометрический состав, что позволит упростить эксплуатацию устройства.
Эффективность процесса измельчения зерна на экспериментальной установке зависит от кинематических характеристик (в частности от частоты вращения рабочего органа) устройства и влажности измельчаемого материала. Также значительное влияние на эффективное ведение технологического процесса обработки зерна влияет количество циклов деформаций (кратность обработки), так как при построении технологических схем зерноперерабатывающих производств применяются сложные повторительные процессы измельчения.
В этой связи с целью определения рациональных режимов механической обработки зернового сырья проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение процесса измельчения зерна пшеницы на разработанной установке.
Экспериментальные исследования по определению модуля крупности измельченного зерна пшеницы проводили в соответствии с разработанной методикой, которая заключалась в следующем. Предварительно подготовленную экспериментальную навеску объектов исследования массой 10 кг равномерным потоком загружали в приемное устройство экспериментальной установки и далее подвергали измельчению при различной частоте вращения рабочих органов, кратности измельчения и влажности. Частоту вращения вала с рабочим органом регулировали путем замены шкивов на приводном валу электродвигателя.
В производственных условиях величина влажности (W) измельчаемого зернового сырья обычно колеблется в интервале от 11,0 до 18,0 %. Поэтому с целью изучения влияния (W,%)на степень измельчения (модуль крупности М, мм) измельчаемого зернового сырья количество воды необходимой для достижения заданной влажности зерна, определяли формуле [4]
, (1)
где Gk - масса взятого для увлажнения зерна, г; Wk, Wн- начальная и конечная влажность зерна, %.
В отобранную массу зерна добавляли рассчитанное количество воды, а затем увлажненную массу тщательно перемешивали и выдерживали в плотно закрытой стеклянной емкости (эксикаторе) при комнатной температуре. Окончательную влажность зерна контролировали по ГОСТу-13496.3-70. Далее зерновое сырье с установленной влажностью подвергали измельчению.
Степень измельчения испытуемого образца оценивали через модуль крупности размола М по формуле [5]:
, (2)
где m0- остаток на сборном дне рассева-анализатора, г; m1,m2,m3 - остаток на ситах с отверстиями диаметром 0,001, 0,002 и 0,003м; г.
Гранулометрический состав, значения m0,m1,m2,m3определяли путем просеивания измельченной массы экспериментальной навесок на наборах штампованных сит с круглыми отверстиями установленного диаметра, составленных в порядке уменьшения их размеров сверху вниз.
Экспериментальные исследования проводились при различной влажности измельчаемого зерна (от 12,0 - 18,0%), частоте вращения рабочего органа (от 800 - 3000 об/мин) и при различной кратности обработки (количество циклов: однократное, двух-, трех-, четырех- и пятикратное измельчение).
Полученные результаты экспериментальных исследований заносили в таблицы текстового процессора Microsoft Exel Windows 2007, на основе которых строили модель в трехмерном пространстве, представляющую собой плоскость, которая характеризует зависимость модуля крупности от двух переменных факторов, частоты вращения рабочего органа экспериментальной установки и влажность измельчаемого материала, при четырехкратном цикле обработки в экспериментальной установке.
На рис. 2 приведена зависимость частоты вращения рабочего органа на модуль крупности измельченного зерна пшеницы влажностью 12% при различной кратности обработки объекта исследования на экспериментальной установке.
 |
1 - область часть размером 2,0-2,5 мм;
2 - область частиц размером 1,5-2,0 мм;
3 - область частиц размером 1,0-1,5 мм;
4 - область частиц размером 0,5-1,0 мм.
Рисунок 2 - Влияние частоты вращения рабочего органа на модуль крупности при различной кратности обработки зерна пшеницы W-12%
Анализ поведения трехмерной модели в пространстве при различной кратности обработки зерна пшеницы сорта «Каргала» влажностью 12,0% на экспериментальной установке показал, что с увеличение кратности обработки (К, раз) с 1 до 5 и с увеличением значений частоты вращения рабочего органа n с 800 до 3000 об/мин приводит к снижению значений модуля крупности (М, мм) измельченного объекта исследования.
Так, например, при однократной обработке объекта исследования на экспериментальной установке при n=800 об/мин значение М составило 2,2 мм, что соответствовало 1 плоскости, характеризующейся образованием частиц со средним размером 2,0-2,5 мм. Дальнейшее увеличение значений K до 5 при n=800 об/мин, значение М составило 1,0 мм, что соответствовало 3 трехмерной плоскости, характеризующейся размером частиц 1,0-1,5 мм.
Аналогичные зависимости были установлены при увеличении значений n до 3000 об/мин при переменных значениях К, что приводило к снижению значений М. Так, например, при увеличении значений n с 800 до 3000 об/мин при однократной обработке (К=1) зерна пшеницы на экспериментальной установке снижали значения М в 2,75 раз с 2,2 до 0,8 мм, при этом минимальное значения показателя М соответствовали 4 трехмерной плоскости, характеризующейся образованием частиц со средним размером частиц 0,5-1,0 мм.
Пятикратная обработка (К=5) зерна пшеницы сорта «Каргала-9» на экспериментальной установке характеризовалась снижением модуля крупности измельченного зерна пшеницы (М) при увеличении значений n с 800 до 3000 об/мин. Так, например, при К=5 и n=800 об/мин значение М составило 1,0 мм, что соответствовало 3 плоскости, характеризующаяся образованием частиц со средним размером 1,0 до 1,5 мм. Дальнейшее увеличение значений n до 3000 об/мин при К=5, приводило к снижению значений М в 1,42 раза, с 1,0 до 0,7 мм, при этом минимальные значения М соответствовали 4 плоскости, характеризующейся образованием среднего размера частиц 0,5-1,0 мм.
При этом установлено, что увеличение кратности обработка зерна пшеницы на экспериментальной установке (К) с 4 до 5 раз не изменяет значения М и составляло 0,7 мм. В этой связи увеличение значений К до 5 приводит к излишнему перерасходу электроэнергии на привод рабочего органа экспериментальной установки.
С целью дальнейшего исследования процесса измельчения на экспериментальной установке, изучали влияние влажности и частоты вращения рабочего органа на модуль крупности размолотого зерна пшеницы. На рис.3 приведена модель в трехмерном пространстве характеризующая зависимость модуля крупности (М, мм) от переменных значений W (%) при различных значениях n (об/мин).
 |
1 - область частиц размером 1,5-2,0 мм;
2 - область частиц размером 1,0-1,5 мм;
3 - область частиц размером 0,5-1,0 мм.
Рисунок 3 - Влияние влажности зерна пшеницы на модуль крупности
при четырехкратном измельчении зерна
Анализ поведения трехмерной модели в пространстве показал, что с увеличение влажности (W) обрабатываемого зерна пшеницы сорта «Каргала-9» с 12 до 18% приводило к повышению значений модуля крупности М, при этом увеличение значений частоты вращения рабочего органа n с 800 до 3000 об/мин приводило к снижению значений модуля крупности (М, мм) измельченного объекта исследования.
Так, например, при обработке зерна пшеницы W - 12% при n=800 об/мин значение модуля крупности составило 1,2 мм, дальнейшее увеличение значений n до 3000 об/мин снижало значения М в 1,71 раза при этом минимальное значение составило 0,7 мм, которое характеризовалось образованием 3-ей трехмерной области со средним размером частиц 0,5-1,0 мм. При дальнейшем увеличении влажности обрабатываемого материала до 13,5% наблюдалось незначительное повышение значений М.
Измельчение зерна пшеницы на экспериментальной установке, влажностью 18% также приводит к увеличению значений М при переменных значениях n. При n=800 об/мин значения модуля крупности составило 2,0 мм, что характеризовалась образованием области 1 со средним размером частиц 1,5-2,0 мм. Увеличение переменных значений n до 3000 об/мин приводило к снижению модуля крупности измельченного зерна пшеницы в 2,2 раза и составило 0,9 мм, что соответствует 3-ей трехмерной области характеризующейся размером частиц 0,5-1,0 мм.
В результате проведенных исследований установлено, что влажность обрабатываемого материала оказывает значительное влияние на модуль крупности измельчаемого материала.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволят регулировать эффективность ведения процесс измельчения на экспериментальной установке реализующая срез зерна вращающимся ножевым механизмом в зависимости от переменных значений влажности зерна пшеницы, частоты вращения рабочего органа и кратности измельчения.
Литература:
2. Оспанов А.А., Омаров К.К., Муслимов Н.Ж., Даулетова С.Д. Состояние и перспективы развития мукомольной промышленности РК Аналитический обзор.- Астана: ЦНТИ, 2002.-70с.
3. Оспанов А.А., Муслимов Н.Ж., Джумабекова Г.Б., Омаров К.К., Шарип М.Т. Пути повышения конкурентоспособности крупяной промышленности Аналитический обзор.- Астана: ЦНТИ, 2006.- 42 с.
4. Спандияров Е. Разработка и совершенствование процессов и оборудования производства комбикормов: Автореф. …докт. техн. наук: 05.18.12. М.: МГУПП, 1994. - 49 с.
5. Егоров Г.А. Практикум по технологии мукомольного, крупяного и комбикормового производства. – М.: Колос, 1974.-208с.
