VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Особенность перехода к инновационному типу развития предприятий АПК состоит в том, чтобы в условиях глобальной конкуренции достичь уровня развитых стран по показателям качества социально значимой продукции и энергоэффективности производства с обеспечением опережающего развития, позволяющего в максимальной степени реализовать российские конкурентные преимущества. Предусмотрена необходимость повышения глубины переработки и вовлечения в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, обеспечивающих увеличение выхода готовой продукции с единицы перерабатываемого сырья.

Согласно принятой стратегии к 2020 году производство пищевых продуктов должно увеличиться в 1,4 раза при среднегодовом темпе прироста 3,5 - 5 процентов к уровню 2010 года. При этом коэффициент использования производственных мощностей должен достигнуть 85 процентов. Предусмотрено снижение энергоемкости перерабатываемой продукции на предприятиях АПК в 1,5 раза [1].

Одним из основных направлений при производстве социально значимой продукции с различными функциональными свойствами является разработка принципиально новых технологий и оборудования на стадии наиболее энергоемкого процесса диспергирования – механоактивации, обеспечивающих глубокую, комплексную, энерго- и ресурсосберегающую переработку сельскохозяйственного сырья и полуфабрикатов на основе инновационных физико-химических и электрофизических способов механоактивации.

Критический анализ механоактиваторов проведен по результатам патентно-информационного поиска за 1992 – 2013годы [1,…,9] Выявлено, что за этот период в промышленности разработаны десятки тысяч конструктивных модификаций оборудования для мехноактивации продуктов различного целевого назначения. Сотнями проектируют мельницы аналогичных конструкций в различных от­раслях промышленности (в диапазоне производств от диетического питания, кормопроизводства до военно-промышленного комплекса). В этой связи выбор измельчающего оборудования для обеспечения оптимальных условий проведения процесса и заданных технологий переработки продукции затруднен.

Во многих случаях это обстоятельство приводит к ухудшению качества и увеличению энергоемкости производимой предприятием продукции. Разработка классификации механоактиваторов, построенной на объективном признаке, представляет крупную научную проблему.

Проведен анализ классификаций, раз­работанных П.М. Сиденко, А. Акуновым, С.С. Андреевым, Гийо, Лонциноми, В.Н. Наумовым [1]. Все предложенные классификации в зависимости от признаков их формирования можно разделить на три основных типа: по конструктивным признакам; по скорости движения мелющих тел; по способу измельчения. Классификации первого типа являются графическими схемами с перечислением групп существующих механоактиваторов. Они не имеют научного и практического значения, так как не позволяют определить области применения оборудования с учетом конструктивных признаков и технико-экономических показателей. Приближением к решению проблемы, связывающей эти параметры, являются классификации второго типа. Наибольшее распространение среди них получила классификация Таггарта [3]. По мнению Таггарта, скоростям движения мелющих тел соответствуют способы измельчения и типы обрабатываемых материалов. Это утверждение позволило ему связать конструктивные показатели мельниц с областью их применения. Между тем, положенное в основу классификации понятие скорости (малая, средняя, большая) носит условный характер, что затрудняет научно-обоснованный выбор мельниц по этому критерию. Кроме того, разработанные за последние годы новые типы и конструкции измельчающего оборудования, основанные на способах измельчения с использованием физических методов активации [3-8] нельзя классифицировать по этой схеме, так как одним и тем же скоростям движения мелющих тел соответствуют различные способы измельчения материалов.

Наибольшее распространение в практике производства при выборе механоактиваторов получили классификации по способу измельчения материалов. Так как каждому материалу в зависимости от его физико-механических свойств, крупности, наличия и характера трещин соответствует вполне определенный способ измельчения [1], то выбор типа мельницы по этому признаку является наиболее рациональным. Между тем, классификации по способу измельчения имеют существенные различия, так как в настоящее время нет единого мнения об основных видах измельчающего усилия [4,5]. Так Crabtec, Kinasevich, Mular, Meloy утверждают, что измельчение необходимо осуществлять ударом, истиранием и скалыванием, исключаяпри этом раздавливание. Riley отмечает существование восьми способов измельчения, обосновывая эффективное применение в промышленности только пяти их видов: раздавливание, удар, истирание, резание и разрыв. Козьмин [3-5] не включает истирание в основные виды нагружения материала и относит его к сопутствующему способу. Наиболее достоверно, рациональные способы механического воздействия в зависимости от свойств материалов, подвергающихся измельчению, систематизированы Reis [2,6,4] и представлены в виде таблице 1.Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых (Ребиндер, Барон, Товаров, Гутьяр, Беренс, Гийо, Барабашкин, Климович и др.) [4] показали, что наиболее эффективным способом механоактивации является ударный, который реализуется практически во всех измельчающих устройствах. При ударной нагрузке время удара мало и возникающие в продукте напряжения, определяемые наложением подающей и отраженной ударных волн, достигают значительных величин. Волна напряжений проносится через частицу, вызывая развитие всех трещин Гриффитса [7], и разрушает продукт на множество мелких осколков при небольших, по сравнению с другими способами измельчения, затратами энергии.

Таблица 1.Способы механического воздействия в зависимости от свойств материалов, подвергающихся измельчению

Свойства материала	Способ нагружения
	сжатие	удар	истирание	отраженный удар
Твердый, скалывающийся	+	+	-	+
Твердый, хрупкий	+	+	-	+
Твердый, вязкий	+	+	-	-
Средней твердости	+	+	-	+
Упругий, мягкий	-	-	+	-
Волокнистый	-	-	+	+
Мягкий, хрупкий	+	+	+	+
Мягкий, вязкий	+	+	+	+

Удельная энергия, потребляемая для разрушения частиц ударом, в 6…10 раз меньше, чем при измельчении частиц сжатием и раздавливанием/ В этой связи измельчители ударного принципа действия выгодно отличаются как по степени измельчения продуктов, так и технико-экономическими показателями [3].

Кроме того, теоретическое обоснование способа формирования диспергирующего усилия ударными нагрузками базируется на фундаментальных законах Ньютона и Гука. Результаты современных теоретических и практических исследований ударного взаимодействия твердых тел всесторонне отражены в работах Кильчевского, Пановко, Тимошенко, Духовского, Слименского и других авторов. Поэтому для расчета и проектирования мельниц ударного принципа действия имеется достаточная теоретическая база, что позволяет максимально приблизить условия проведения процессов измельчения к их оптимальным параметрам.

Анализ работ в этой области показал, что в настоящее время разработано большое количество математических моделей расчета мельниц, как без мелющих тел, так и со свободными и закрепленными размольными органами. Все эти модели включают определение оптимальной скорости и энергии соударения измельчающих элементов и частиц обрабатываемого продукта и базируются на следующих известных из теории удара научно-обоснованных закономерностях:

• энергия, передаваемая материалу ударным способом измельчения,

определена формулой

, (1)

или , (2)

где Е_У – кинетическая энергия ударяющегося тела в момент удара по диспергируемому телу; Е_Р – кинетическая энергия после удара; g_r – масса ударяющего тела; ω_У – скорость движения тела в момент удара; ɛ – коэффициент восстановления;

• условие однократного разрушения частиц продукта ударом определено выражением

, (3)

, (4)

где А_Р – работа однократного разрушения упругой частицы; Ϭ – напряжение разрушения; q_ч – масса разрушаемой частицы; ρ_ч– удельный вес частицы материала; соотношения для определения разрушающей скорости при столкновении

(5)

или ,

при υ_К= 0

, (6)

где F – сила, действующая на частицу; Δt – время приложения силы;

q_Ч­ – масса частицы; – соответственно конечная и начальная скорости движения частицы.

Согласно исследованиям Акунова, Баумана, Ходакова [3]скорость разрушающего удара определяется механическими свойствами и плотностью разрушаемой частицы и не зависит от ее размеров.

Скорость удара положена в основу классификации мельниц ударного принципа действия

• с низкой скоростью удара (шаровые, стержневые, шаро-кольцевые);

• с высокой скоростью удара (ударно - центробежные, молотковые, роторные, струйные);

• со средней скоростью удара (вибрационные, электромагнитные, центробежно-планетарные).

Несмотря на условность классификации, накопленный за много лет опыт позволяет на ее основе с достаточной степени достоверностью выявлять наиболее рациональные типы механоактиваторов, а знание оптимальной скорости и энергии соударений способствует правильному выбору режимов их работы. Поэтому в мельницах ударного принципа действия (по сравнению с другими типами измельчающего оборудования) обеспечиваются минимальные потери энергии на формирование диспергирующего усилия, что снижает общую энергоемкость процесса механоактивации материалов.

Между тем, при переходе в область тонкого и сверхтонкого измельчения продуктов эффективность ударного измельчения продуктов ударного способа снижается Исследованиями выявлено, что по мере уменьшения частиц глубина внедрения в них размольных органов машины увеличивается, а ударные напряжения уменьшаются. При установившихся условиях диспергирования размер частиц приобретает такое предельное значение, при котором максимальное напряжение становится равным пределу прочности материала. Поэтому при более тонком помоле должны изменяться условия силового нагружения и разрушение частиц в этом случае эффективнее осуществлять сочетанием трех актов силового воздействия на обрабатываемый материал: ударом, скалыванием и абразивным износом. В результате действия каждого акта продукт отличается гранулометрическим составом. Так, прямой удар способствует получению тонкого продукта из глубинных слоев частицы (ее сердцевины). Скользящие, косые удары (скалывание) удаляют только выступы (грани и углы), а абразивный износ происходит при непрерывном воздействии на поверхность частицы многочисленных точечных сил. В результате скалывания и абразивного износа продукт измельчается истиранием. В этой связи для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов наиболее эффективным типом измельчаемого оборудования являются мельницы ударно–истирающего принципа действия.

Механизм истирания, в отличие от удара, нельзя описать законом физики. Многочисленные в этой области исследования хотя и раскрывают физическую природу явлений, но носят качественный характер и не позволяют разработать точный математический аппарат для расчета и проектирования мельниц истирающего принципа действия.

Кроме того, сложности при расчете мельниц тонкого помола обусловлены резким снижением эффективности разрушения частиц материала при уменьшении их размера: скорость измельчения заметно снижается, а удельная энергия разрушения возрастает. Это объясняется явлением масштабного упрочнения частиц, физическая сущность которого имеет следующее теоретическое обоснование:

• в области тонкого и сверхтонкого измельчения размеры дефектов уже соизмеримы с размерами частиц и при той же объемной плотности микротрещин их количество мало. Поэтому раскрытие новых поверхностей может проходить с включением дефектов структуры более низкого порядка, требующих более высоких разрушающих напряжений [2];

• увеличение концентрации дефектов до некоторого значения на первом этапе измельчения предопределяет уменьшение прочности частиц. В дальнейшем дефекты затрудняют движение дислокаций, что является упрочняющим фактором [7];

• в тонкоизмельченном продукте частицы обладают большей выпуклой кривизной поверхности и, следовательно, большим поверхностным напряжением, что снижает вероятность трещинообразования и повышает сопротивляемость разрушению.

Явление масштабного упрочнения частиц происходит на молекулярном уровне и не поддается аналитическому описанию.

В совокупности указанные причины обуславливают низкие технико-экономические показатели мельниц для тонкого измельчения материалов. Они отличаются высокой энергией и металлоемкостью, низкой производительностью и неудовлетворительным качеством продуктов помола. Так как в последние годы наблюдается непрерывное повышение дисперсности материалов, используемых в промышленности, процессы тонкого измельчения стали занимать значительную долю в общем объеме производства (на их осуществление затрачивается 10% всей вырабатываемой в мире энергии). Поэтому интенсификация мельниц тонкого и сверхтонкого измельчения является одной из самых актуальных научных и практических проблем, от которой зависит развитие важнейших отраслей промышленности. Решается эта проблема в следующих трех направлениях:

• создание новых более эффективных и экономичных способов измельчения и формирования диспергирующего усилия, использующих нетрадиционные виды энергии;

• разработка быстроходных помольных машин высокой интенсивности, малой энергией и металлоемкости и совершенствование существующих измельчительных агрегатов и технологий (реконструкция, многостадийная схема измельчения с рециклом и т.д.);

• создание рациональных способов и систем управления.

Причем в связи с особенностями развития теории измельчения в каждой из отраслей промышленности создаются мельницы применительно к собственным нуждам, со «своей» теорией и «своей» классификацией. В этой связи появились самостоятельные направления, разрабатывающие вопросы тонкого и коллоидного помола строительных материалов, руд, а также материалов химической и других отраслей промышленности.

Изучение процессов измельчения и создание мельниц в сельском хозяйстве и пищевых производствах также осуществляется в отдельных направлениях. Между тем, такой подход к решению проблемы диспергирования растительного сырья в этих отраслях промышленности является нецелесообразным. Так, задачи диспергирования рассматриваются в них с единых позиций, имеющих общую цель – повышение качества пищевых продуктов. В связи с однотипностью сырьевых материалов, подлежащих переработке, в этих областях часто проводятся параллельные исследования с конечными результатами, дублирующими или взаимно дополняющими друг друга. Используемое в них оборудование построено на аналогичных принципах действия и его выбор осуществляется по классификациям, заимствованным в большинстве случаев из других производств.

Литература

1. Беззубцева М.М., Волков В.С., Пиркин А.Г.- Энергетика технологических процессов в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2011. – 265с

2. Энциклопедия знаний [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://pandia.org/text/77/193/33871.php

3. .Беззубцева М.М., Волков В.С., Фокин С.А. Практикум по электротехнологическим расчетам. СПб: СПбГАУ, 2010. – 147c.

4. В.В.Козелкин,И.Ф.,.М.:Машиностроение, 19

5. www.fips.ru

6. А. с. 1697880(СССР). Способ диспергирования материалов путем подачи материала в виде порошка в камеру с последующим воздействием на него электрическим зарядом /Н.И.Вдовин. Опубл. в БИ, 1992, № 2.

7. А. с. 1711966 (СССР).Центробежно-шаровая мельница /В.А. Галич, В.В.Анисимов, A.A.Словак и др. Опубл. в БИ, 1992, № 6.

8. А.с. 1012981 (СССР). Устройство для мокрого измельчения продуктов / М.А. Шламас, Ю.К. Стравинскас, К.А. Шламас и др. – Опубл. в БИ, 1983, № 15.

9. А.с. 1178487 (СССР).Диспергатор / И.Ф. Бородин, В.Н. Писаревский, Е.В. Недобежкин. – Опубл. в БИ, 1985, № 34.

10. А.с.1194365 (СССР). Устройство для непрерывного приготовления шоколадных масс / М.А. Шламас, Ю.К. Стравинскас, А.Ю.-С. Мильтенс и др. – Опубл. в БИ, 1985, № 44.

11. www.rupto.ru

Код для цитирования: Скопировать