Россия
Красноярск, Россия
Красноярск, Россия
Приведены результаты исследования по модернизации технологии дробления зерна. Основным недостатком существующих молотковых дробилок является низкая эффективность, повышенная металлоемкость и энергопотребление. Проведенные исследования показали, что при измельчении зерна ударом молотков в дробилке получаются фракции, неравномерные по размерам. Полученные результаты послужили основой разработки машины для дробления зерна (патент Российской Федерации № 2742055 «Устройство для дробления зерна»). Новизна данного изобретения заключается в качестве дробления и выхода продукта при многократном ударном воздействии на него сферических ударников с последующим воздействием измельчающих ножей. Представлены результаты испытания опытной лабораторной установки в сравнении с серийно выпускаемой дробилкой для зерна. Разработанная конструкция позволяет наносить точечные удары по зерновке пшеницы, в результате получаются ровные частицы крупы. Применение нового оборудования позволило разработать усовершенствованную технологическую схему получения дробленой пшеничной крупы, исключающей ряд технологических операций. В процессе работы были исследованы процессы дробления зерна пшеницы по существующим технологиям и с применением разработанного устройства. По результатам научных исследований и инженерного поиска была разработана усовершенствованная технология дробления зерна, которая состоит из последовательных операций: сортирование перед шелушением, шелушение, сортирование продуктов шелушения, дробление, сортирование продуктов дробления, шлифование, полирование, контроль дробленой крупы. Применение разработанной технологии позволит повысить эффективность работы технологической линии и качество дробленого продукта.
модернизация технологии, дробление зерна пшеницы, молотковая дробилка, патент РФ.
Введение. Одним из основных продуктов питания человека является крупа. Она является сырьем для большинства отраслей промышленности, а также кормом для животных. Зерновые культуры делятся на два вида: хлебные и зернобобовые. К хлебным относятся: пшеница, рис, овес, рожь, ячмень, кукуруза и другие, в то время как к зернобобовым относятся горох, стручковая фасоль, соя и арахис. Зерно хлебных зерновых культур содержит много углеводов, а бобовых – много белка [1]. Зерно пшеницы является важнейшей культурой в хозяйственной деятельности человека. По сбору зерновых культур Красноярский края является лидером в Сибирском регионе. По данным Министерства сельского хозяйства и торговли Красноярского края, в 2020 г. на территории региона урожайность зерновых и бобовых культур составила 2,786 млн тонн зерна, что является рекордным за последние 26 лет. Это почти на 400 тонн больше, чем в 2019 г. [2]. Важными направлениями по переработке зерновых культур являются мукомольная, крупяная и комбикормовая отрасли. Одним из основных технологических процессов, влияющих на качество готовой крупы и комбикормов, является дробление. Разработка новых универсальных технологических линий, в том числе энергосберегающего оборудования, является актуальной задачей для зерноперерабатывающих отраслей. Выполненные научные исследования направлены на совершенствование технологии, а также на создание малогабаритного и ресурсосберегающего оборудования для фермерских хозяйств.
Цель исследований. Совершенствование технологии дробления зерна пшеницы на основе новой конструкции молотковой дробилки.
Задачи исследований:
- провести патентный поиск для выбора прототипа и аналога, используемых при разработке технического решения молотковой дробилки;
- изучить технологию дробления зерна пшеницы и разработать усовершенствованную технологическую схему получения дробленой пшеничной крупы.
Объекты и методы исследований. Объектом исследования является процесс дробления зерна пшеницы с использованием малогабаритного и ресурсосберегающего оборудования [3, 4].
Патентные исследования проводились согласно ГОСТ Р 15.0.11-96 «Патентные исследования. Система разработки и постановки продукции на производство» в информационной базе Федерального института интеллектуальной собственности, что позволило определить аналог и прототип для разработки новой ресурсосберегающей установки для дробления зерна пшеницы [5].
Результаты исследований и их обсуждение. В мукомольной, а также крупяной промышленности широкое применение получили вальцовые станки, а в комбикормовой – молотковые дробилки. Для крупного дробления молотковые дробилки не эффективны, когда это связано с тем, чтобы выделить и сохранить зародыш для использования в фармакологии, а также в масложировом производстве. Несмотря на разнообразие измельчающих устройств, в настоящее время происходит поиск решений по модернизации и созданию новых образцов машин для дробления.
Одним из примеров является предложение по использованию нового устройства для дробления зерна [6].
Устройство для дробления зерна включает: корпус, загрузочное и выходное отверстия, рабочие органы дробления. В корпусе установлен подвижный барабан, внутри которого размещены приводной вал с кулачками на его поверхности и толкатели. Толкатели на одном конце имеют нажимную пяту для контакта с кулачком, а на другом – полусферный ударник для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и зерном, находящимся между полусферным ударником и корпусом. При этом нижняя часть корпуса может быть выполнена в форме конуса, а на приводном валу в нижней части может быть установлен набор ножей. Набор ножей может иметь форму конуса. Устройство для дробления зерна обеспечивает повышение качества дробления и выхода продукта за счет многократного ударного воздействия на зерно сферическими ударниками и последующего воздействия на него измельчающих ножей [6].
Патентные исследования и анализ научно-технической литературы показали, что молотковые дробилки имеют разные конструкции, а также рабочие органы, такие как вращающийся ротор с молотками, измельчающая камера из прочного решета, рифленая дека.
Известна зерновая дробилка, включающая вертикально установленный корпус с отверстиями для загрузки и выгрузки, ротор и цилиндрическую ситовую обечайку (патент РФ № 2159535 A01F 29/00) [7]. При работе такой дробилки при измельчении зерновых продуктов происходит налипание измельчаемого продукта на ситовую обечайку, что приводит к получению готового продукта, который будет отличаться большой неравномерностью по гранулометрическому составу.
Известна дробилка (SU а.с. 1750723, В02С 13/20, 1992 г.) [8], содержащая корпус с цилиндрической декой, загрузочный и разгрузочный патрубки, два соосных ротора, один внутри другого, образованных дисками и помещенными между ними лопатками.
При работе таких дробилок во время измельчения зерновых и масляных продуктов происходит налипание измельченного продукта на деку корпуса дробилки. Образованный кольцевой слой продукта на деки корпуса препятствует выходу из рабочей зоны измельченного продукта, а также разрушению частиц, вылетающих с внешнего ротора.
По результатам патентных исследований в Институте пищевых производств Красноярского ГАУ была разработана новая конструкция молотковой дробилки, кинематическая схема которой приведена на рисунке 1.
Техническим результатом разработанной молотковой дробилки является улучшение качества дробления и выхода продукта при многократном ударном воздействии на него сферических ударников 10 с последующим воздействием измельчающих ножей 15. Дробилка, содержит корпус 1 с бункером для сырья 2, барабан 3, установленный на приводном валу 4,
соединенном с валом 5 электродвигателя 6 через редуктор 7. На поверхности приводного вала 4 установлены кулачки 8, взаимодействующие с толкателями 9 и сферическими ударниками 10. При этом на толкателе 9 в корпусе 11 установлена пружина растяжения 12 имеющая опоры 13 и 14.
Рис.1. Устройство молотковой дробилки
Устройство для дробления зерна работает следующим образом: зерно пшеницы, проходя между корпусом и барабаном, подвергается ударному воздействию сферических ударников. Далее частично дробленое зерно, опускаясь вниз, попадает на режущие ножи, установленные на приводном валу, где происходит окончательное измельчение зерна до заданного размера, после чего измельченное зерно через выходное отверстие по стенкам ссыпается в приемный бункер [1].
Получение дробленой крупы связано с измельчением ядра зерна пшеницы. По сравнению с ядром, которое не измельчается, усвояемость крупы дробленой намного лучше. Одна фракция равномерно разваривается, но в комбинированных крупах дробленые частицы при приготовлении распределяются равномерно по всему объему.
Процесс дробления зерна похож на процесс измельчения, но все же различия есть. Измельчение зерна подразумевает собой такие операции, как перетирание, удар, раздавливание, или комбинирование этих операций, а дробление – удары при помощи молотковых дробилок.
Проведенные исследования показали, что при измельчении зерна ударом молотков в дробилке получаются фракции, неравномерные по размерам (рис. 2).
Рис. 2. Фракции дробления зерна в молотковой дробилке
Особенностью разработанного устройства для дробления зерна является то, что нижняя часть корпуса выполнена в форме конуса и на приводном валу в нижней части установлен набор ножей, имеющий форму конуса. Эта конструкция позволяет наносить точечные удары по зерновке пшеницы, что позволяет получать ровные частицы крупы [1].
Существующие традиционные технологии переработки зерна пшеницы в крупу дробленую включают: сортирование перед шелушением, шелушение, сортирование продуктов шелушения, дробление, шлифование, полирование, контроль дробленой крупы (рис. 3) [1].
Рис. 3. Общая технологическая схема переработки зерна пшеницы
Разработанная конструкция молотковой дробилки позволит исключить из технологической схемы ряд операций, что позволит значительно повысить производительность технологической линии, а также снизить экономические затраты на производство крупы. На рисунке 4 приведена усовершенствованная технологическая схема получения крупы пшеничной дробленой.
Рис. 4. Модернизированная технологическая схема дробления зерна пшеницы
Лабораторные испытания дробления зерна пшеницы по разработанной технологической схеме показали, что при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,5 до 0,7 мм обеспечивается выход измельченной зерновой массы данного размера до 75 %, а при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,8 до 1,2 мм выход измельченной зерновой массы данного размера составил 86 % от общей массы измельчаемого зерна.
Выводы
- Проведенный патентный поиск показал, что имеющиеся прототипы и аналоги молотковых дробилок имеют разные конструкции и рабочие органы, это позволило разработать новое техническое решение молотковой дробилки. Разработанное устройство для дробления зерна отличается тем, что в корпусе установлен подвижный барабан, внутри которого размещены приводной вал с кулачками на его поверхности и толкатели, имеющие на одном конце нажимную пяту для контакта с кулачком, а на другом – полусферный ударник для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и зерном, находящимся между полусферным ударником и корпусом. Нижняя часть корпуса выполнена в форме конуса, а на приводном валу в нижней части установлен набор ножей, имеющих форму конуса. Эта конструкция позволяет наносить точечные удары по зерновке пшеницы.
- Модернизация технологии и разработка нового оборудования позволили производить дробление зерна с заданной степенью измельчения. Необходимая степень измельчения зерна пшеницы задается при помощи технологического зазора между лезвиями режущих ножей на финишном этапе измельчения. Так, например, при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,5 до 0,7 мм обеспечивается выход измельченной зерновой массы данного размера до 75 %, а при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,8 до 1,2 мм выход измельченной зерновой массы данного размера составляет порядка 86 % от общей массы измельчаемого зерна.
Введение. Одним из основных продуктов питания человека является крупа. Она является сырьем для большинства отраслей промышленности, а также кормом для животных. Зерновые культуры делятся на два вида: хлебные и зернобобовые. К хлебным относятся: пшеница, рис, овес, рожь, ячмень, кукуруза и другие, в то время как к зернобобовым относятся горох, стручковая фасоль, соя и арахис. Зерно хлебных зерновых культур содержит много углеводов, а бобовых – много белка [1]. Зерно пшеницы является важнейшей культурой в хозяйственной деятельности человека. По сбору зерновых культур Красноярский края является лидером в Сибирском регионе. По данным Министерства сельского хозяйства и торговли Красноярского края, в 2020 г. на территории региона урожайность зерновых и бобовых культур составила 2,786 млн тонн зерна, что является рекордным за последние 26 лет. Это почти на 400 тонн больше, чем в 2019 г. [2]. Важными направлениями по переработке зерновых культур являются мукомольная, крупяная и комбикормовая отрасли. Одним из основных технологических процессов, влияющих на качество готовой крупы и комбикормов, является дробление. Разработка новых универсальных технологических линий, в том числе энергосберегающего оборудования, является актуальной задачей для зерноперерабатывающих отраслей. Выполненные научные исследования направлены на совершенствование технологии, а также на создание малогабаритного и ресурсосберегающего оборудования для фермерских хозяйств.
Цель исследований. Совершенствование технологии дробления зерна пшеницы на основе новой конструкции молотковой дробилки.
Задачи исследований:
- провести патентный поиск для выбора прототипа и аналога, используемых при разработке технического решения молотковой дробилки;
- изучить технологию дробления зерна пшеницы и разработать усовершенствованную технологическую схему получения дробленой пшеничной крупы.
Объекты и методы исследований. Объектом исследования является процесс дробления зерна пшеницы с использованием малогабаритного и ресурсосберегающего оборудования [3, 4].
Патентные исследования проводились согласно ГОСТ Р 15.0.11-96 «Патентные исследования. Система разработки и постановки продукции на производство» в информационной базе Федерального института интеллектуальной собственности, что позволило определить аналог и прототип для разработки новой ресурсосберегающей установки для дробления зерна пшеницы [5].
Результаты исследований и их обсуждение. В мукомольной, а также крупяной промышленности широкое применение получили вальцовые станки, а в комбикормовой – молотковые дробилки. Для крупного дробления молотковые дробилки не эффективны, когда это связано с тем, чтобы выделить и сохранить зародыш для использования в фармакологии, а также в масложировом производстве. Несмотря на разнообразие измельчающих устройств, в настоящее время происходит поиск решений по модернизации и созданию новых образцов машин для дробления.
Одним из примеров является предложение по использованию нового устройства для дробления зерна [6].
Устройство для дробления зерна включает: корпус, загрузочное и выходное отверстия, рабочие органы дробления. В корпусе установлен подвижный барабан, внутри которого размещены приводной вал с кулачками на его поверхности и толкатели. Толкатели на одном конце имеют нажимную пяту для контакта с кулачком, а на другом – полусферный ударник для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и зерном, находящимся между полусферным ударником и корпусом. При этом нижняя часть корпуса может быть выполнена в форме конуса, а на приводном валу в нижней части может быть установлен набор ножей. Набор ножей может иметь форму конуса. Устройство для дробления зерна обеспечивает повышение качества дробления и выхода продукта за счет многократного ударного воздействия на зерно сферическими ударниками и последующего воздействия на него измельчающих ножей [6].
Патентные исследования и анализ научно-технической литературы показали, что молотковые дробилки имеют разные конструкции, а также рабочие органы, такие как вращающийся ротор с молотками, измельчающая камера из прочного решета, рифленая дека.
Известна зерновая дробилка, включающая вертикально установленный корпус с отверстиями для загрузки и выгрузки, ротор и цилиндрическую ситовую обечайку (патент РФ № 2159535 A01F 29/00) [7]. При работе такой дробилки при измельчении зерновых продуктов происходит налипание измельчаемого продукта на ситовую обечайку, что приводит к получению готового продукта, который будет отличаться большой неравномерностью по гранулометрическому составу.
Известна дробилка (SU а.с. 1750723, В02С 13/20, 1992 г.) [8], содержащая корпус с цилиндрической декой, загрузочный и разгрузочный патрубки, два соосных ротора, один внутри другого, образованных дисками и помещенными между ними лопатками.
При работе таких дробилок во время измельчения зерновых и масляных продуктов происходит налипание измельченного продукта на деку корпуса дробилки. Образованный кольцевой слой продукта на деки корпуса препятствует выходу из рабочей зоны измельченного продукта, а также разрушению частиц, вылетающих с внешнего ротора.
По результатам патентных исследований в Институте пищевых производств Красноярского ГАУ была разработана новая конструкция молотковой дробилки, кинематическая схема которой приведена на рисунке 1.
Техническим результатом разработанной молотковой дробилки является улучшение качества дробления и выхода продукта при многократном ударном воздействии на него сферических ударников 10 с последующим воздействием измельчающих ножей 15. Дробилка, содержит корпус 1 с бункером для сырья 2, барабан 3, установленный на приводном валу 4,
соединенном с валом 5 электродвигателя 6 через редуктор 7. На поверхности приводного вала 4 установлены кулачки 8, взаимодействующие с толкателями 9 и сферическими ударниками 10. При этом на толкателе 9 в корпусе 11 установлена пружина растяжения 12 имеющая опоры 13 и 14. Рис.1. Устройство молотковой дробилки
Устройство для дробления зерна работает следующим образом: зерно пшеницы, проходя между корпусом и барабаном, подвергается ударному воздействию сферических ударников. Далее частично дробленое зерно, опускаясь вниз, попадает на режущие ножи, установленные на приводном валу, где происходит окончательное измельчение зерна до заданного размера, после чего измельченное зерно через выходное отверстие по стенкам ссыпается в приемный бункер [1].
Получение дробленой крупы связано с измельчением ядра зерна пшеницы. По сравнению с ядром, которое не измельчается, усвояемость крупы дробленой намного лучше. Одна фракция равномерно разваривается, но в комбинированных крупах дробленые частицы при приготовлении распределяются равномерно по всему объему.
Процесс дробления зерна похож на процесс измельчения, но все же различия есть. Измельчение зерна подразумевает собой такие операции, как перетирание, удар, раздавливание, или комбинирование этих операций, а дробление – удары при помощи молотковых дробилок.
Проведенные исследования показали, что при измельчении зерна ударом молотков в дробилке получаются фракции, неравномерные по размерам (рис. 2).
Рис. 2. Фракции дробления зерна в молотковой дробилке
Особенностью разработанного устройства для дробления зерна является то, что нижняя часть корпуса выполнена в форме конуса и на приводном валу в нижней части установлен набор ножей, имеющий форму конуса. Эта конструкция позволяет наносить точечные удары по зерновке пшеницы, что позволяет получать ровные частицы крупы [1].
Существующие традиционные технологии переработки зерна пшеницы в крупу дробленую включают: сортирование перед шелушением, шелушение, сортирование продуктов шелушения, дробление, шлифование, полирование, контроль дробленой крупы (рис. 3) [1].
Рис. 3. Общая технологическая схема переработки зерна пшеницы
Разработанная конструкция молотковой дробилки позволит исключить из технологической схемы ряд операций, что позволит значительно повысить производительность технологической линии, а также снизить экономические затраты на производство крупы. На рисунке 4 приведена усовершенствованная технологическая схема получения крупы пшеничной дробленой.
Рис. 4. Модернизированная технологическая схема дробления зерна пшеницы
Лабораторные испытания дробления зерна пшеницы по разработанной технологической схеме показали, что при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,5 до 0,7 мм обеспечивается выход измельченной зерновой массы данного размера до 75 %, а при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,8 до 1,2 мм выход измельченной зерновой массы данного размера составил 86 % от общей массы измельчаемого зерна.
Выводы
- Проведенный патентный поиск показал, что имеющиеся прототипы и аналоги молотковых дробилок имеют разные конструкции и рабочие органы, это позволило разработать новое техническое решение молотковой дробилки. Разработанное устройство для дробления зерна отличается тем, что в корпусе установлен подвижный барабан, внутри которого размещены приводной вал с кулачками на его поверхности и толкатели, имеющие на одном конце нажимную пяту для контакта с кулачком, а на другом – полусферный ударник для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и зерном, находящимся между полусферным ударником и корпусом. Нижняя часть корпуса выполнена в форме конуса, а на приводном валу в нижней части установлен набор ножей, имеющих форму конуса. Эта конструкция позволяет наносить точечные удары по зерновке пшеницы.
- Модернизация технологии и разработка нового оборудования позволили производить дробление зерна с заданной степенью измельчения. Необходимая степень измельчения зерна пшеницы задается при помощи технологического зазора между лезвиями режущих ножей на финишном этапе измельчения. Так, например, при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,5 до 0,7 мм обеспечивается выход измельченной зерновой массы данного размера до 75 %, а при установке технологического зазора между лезвиями ножей от 0,8 до 1,2 мм выход измельченной зерновой массы данного размера составляет порядка 86 % от общей массы измельчаемого зерна.
1. Проблемы научно-технической модернизации сельского хозяйства: производство, менеджмент, экономика: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. обучающихся в магистратуре Ин-та экономики и финансов ОмГАУ им. П.А. Столыпина. Омск, 2014. 276 с.
2. URL: https://www.rbc.ru/rbcfreenews/5fdceb74 9a79472ad2168899.
3. Невзоров В.Н., Мацкевич И.В., Салыхов Д.В. и др. Технология и оборудование для шелушения зерна пшеницы // Вестник КрасГАУ. 2018. № 6 (141). С. 162–166.
4. Салыхов Д.В., Невзоров В.Н., Мацкевич И.В. Совершенствование технологии переработки зерна пшеницы на роторно-лопастном шелушителе // Вестник КрасГАУ. 2020. № 3 (156). С. 157–163.
5. ГОСТ Р 15.0.11-96. Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения. М.: Стандартинформ, 2010.
6. Пат. 2 742 055 Российская Федерация, МПК B02C 13/00, B02C 18/00. Устройство для дробления зерна / В.Н. Невзоров, И.В. Мацкевич, Н.А. Храмовских, М.А. Янова; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. аграр. ун-т. №2018131619; заявл. 03.09.2018; опубл 02.02.2021, Бюл № 4.
7. Пат. 2 159 535 Российская Федерация, МПК A01F 29/00, B02C 9/02. Зерновая дробилка / Полищук В.Ю., Коротков В.Г., Зайцева Н.В., Антимонов С.В., Соловых С.Ю.; заявитель и патентообладатель Оренбургский государственный университет. № 99107184/13; заявл. 07.04.1999; опубл 27.11.2000, Бюл № 33.
8. Пат.1 750 723 СССР, МПК B02C 13/20. Центробежный измельчитель / Буцко В.А., Холодилин А.Н., Дегтяренко Г.Н., Коротков В.Г., Гоголев С.А., Гильмуллин А.А.; заявитель и патентообладатель Производственное объединение «Стрела», Оренбурский Политехнический институт. № 90 4889535; заявл. 10.12.1990.
