NovakPetr1

SHRNUTÍ STÁVAJÍCÍCH KONSTRUKCÍ
ŠROTOVNÍKŮ
Šrotování (drcení krmiv) je prakticky využíváno relativně krátkou
historickou dobu. Největšího rozmachu a technického zdokonalování toto
odvětví zažilo až v průběhu 20. století. S nárůstem populace velmi rychle
stoupala také spotřeba potravin živočišného původu. Tomuto trendu nemohl
stávající systém pastevního odchovu stačit a to zejména z hlediska výživy zvířat,
která podléhala sezónním vlivům. Stále větší počet zvířat v kamenných stájích
kladl vysoké požadavky na zajištění výživy. To dalo vzniknout novému, velmi
významnému odvětví – krmivářskému průmyslu.
Šrotování zlepšuje stravitelnost krmiv a umožňuje jejich mísení a tím i
možnost vytváření kompletní krmné dávky. Prvopočátky drcení zrnin souvisí
s větší intenzitou pěstování rostlin. Ve starověku se využívalo mletí výhradně
k výrobě mouky pro lidskou výživu. K pohonu kamenných mlýnů byla
využívána lidská nebo zvířecí síla – tento postup byl velmi pomalý. Středověk
přinesl větší využívání energie proudící vody a větru, ale výkonnost byla stále
velmi nízká, stěží zajišťující výživu lidí. Změnu přinesla až průmyslová
revoluce, ve které se začala využívat energie páry. Teprve praktické využití
elektrických a spalovacích motorů přineslo zvýšení produktivity a intenzity
zemědělské výroby.
Původní mlýnské technologie tj. mletí mezi dvěma kameny byly stále
více nahrazovány soudobou technologií – válcové mlýnské stolice. Slupky
obilek (otruby) byly využívány ve výživě zvířat. Došlo k rychlému rozšiřování
malých šrotovacích zařízení – kamenných šrotovníků, které našly své místo
v zemědělských usedlostech.
1. kamenný šrotovník
Kamenné šrotovníky jsou vhodné pouze pro šrotování suchých zrnin o
nízké vlhkosti. Při vyšších vlhkostech dochází k ulpívání částic na pracovních
plochách , jejich zvýšenému zahřívání a snižování výkonnosti.
Pracovním ústrojím kamenných šrotovníků jsou dva válcové kameny,
jejichž rovinné základy jsou vlastními mlecími plochami. Jsou uspořádány buď
vodorovně (u horizontálních šrotovníků) nebo svisle (u vertikálních šrotovníků)
a jeden z nich je uložen pevně (ležák), zatím co druhý se otáčí (běhoun).
Aby byl zajištěn optimální roztírací účinek jsou pracovní rovinné plochy
opatřeny rýhami, tzv. remišemi, které jsou buď přímkové nebo křivkové
s trojúhelníkovým
průřezem.
Svými
hranami
přispívají
k rychlejšímu
rozmělňování a odvádění částic, ale mají také ventilační účinky k ochlazování
ploch. Tím zamezují nadměrnému ohřívání pracovních ploch a rozmělňovaného
materiálu.
Materiál je přiváděn přes regulační šoupátko účinkem tíhové síly nebo
podávacím zařízením mezi pracovní plochy středovým otvorem nepohyblivého
kamene. Během rozmělňování se částice pohybují od středu k obvodu kamenů
po dráze odpovídající výslednici odstředivé a třecí síly. Rozmělněné zrno potom
vypadává podél vnějšího obvodu kamenů, mezi nimiž je mezera, nastavitelná
podle požadovaného stupně hrubosti šrotu.
Pro
správnou
funkci
kamenných
šrotovníků
je
důležité,
aby
rozmělňovaný materiál procházel plynule od středu na obvod kamenů. Jinak by
docházelo k nadměrnému vzniku jemných částic šrotu a zahlcování mezery mezi
pracovními plochami obou kamenů.
Kamenné šrotovníky mají své technologické hranice ovlivněné
použitými materiály (omezenou obvodovou rychlost a nemožnost šrotovat vlhké
a olejnaté materiály) a proto se jejich použití omezuje na malé farmy.
2
2. válcový šrotovník
Válcový šrotovník je vhodný pro rozmělňování suchých neolejnatých
zrnin. Jejich předností je malý ohřev rozmělňovaného materiálu a malá
energetická náročnost, zejména ve srovnání se šrotovníky kladívkovými.
Konstrukční řešení válcových šrotovníků
Podstatou válcových šrotovníků jsou dva otáčející se válce, jejichž
povrchy jsou buď hladké nebo jsou rýhovány (tj. opatřeny pilovitými rýhami,
skloněnými k podélné ose válce ).
Materiál je u nich podáván vlastní tíhovou silou do klínovitého prostoru
mezi jejich styčné povrchy, při čemž
horizontální rovině,
oba válce jsou buď uloženy v jedné
nebo jsou proti sobě výškově přesazeny. Nevýhodou
výškového uspořádání je obtížnější vstup materiálu do pracovního prostoru,
který musí být potom řešen nestejným průměrem válců .
Uspořádání válců včetně řešení jejich přítlaku a zařízení pro regulaci
pracovní mezery musí umožňovat krátkodobý rozestup válců (při vstupu tvrdého
tělesa). Současně ale musí toto uspořádání zamezovat příčný dotyk válců při
přerušení dodávky materiálu. Proto jsou válce zatěžovány na malém obvodu,
čímž je zároveň dosaženo lepší odvádění tepla a šrot není téměř ohříván.
K vyloučení nadměrného opotřebení válců řešení nepřipouští jeden
válec nepoháněný. Kromě toho pro vytvoření nezbytného relativního pohybu
mezi pracovními plochami musí být pohon válců řešen tak, aby zajišťoval
různou frekvenci otáčení (zpravidla v poměru 1:3).
Kromě uvedené frekvence otáčení závisí rozmělňovací účinek
válcových ploch na stavu jejich povrchu. Výrazně se to zejména projevuje u
rýhovaných válců, kde se vzhledem k relativní rychlosti válců proti sobě a
profilu rýhování rozlišují ostří a hřbety s různým postavením.
3
Kvalitu pracovního procesu válcových šrotovníků podmiňuje několik
činitelů. Kromě vlivu velikosti zrn a úhlu tření mezi zrnem a povrchem válců je
to především vtahovací úhel , průměr válců i jejich pracovní délka a velikost
přítlačné síly. Vtahovacím úhlem se rozumí úhel mezi poloměrem, vedeným
k dotykovému bodu meliva a spojovací linií středu válců. Musí být tak velký,
aby částice byly vtahovány do pracovního prostoru .
Zařízení má velmi dobrou účinnost, ale konstrukce je složitá, životnost
válců omezená a jejich renovace drahá. Výkonnost je omezena šířkou a
průměrem válců. Zařízení je vhodné pro malé a střední farmy.
3.kladívkový šrotovník
Kladívkové
šrotovníky
jsou
nejvíce
používaným
a
také
nejuniverzálnějším typem šrotovníků. Kromě všech zrnin mohou zpracovávat
i stébelnaté materiály až do 20% vlhkosti, např. sušenou vojtěšku při výrobě
senné moučky. Jejich velkou nevýhodou je značná energetická náročnost, která
je vyšší asi 3 krát oproti válcovým a 2,5 krát oproti kamenným šrotovníkům.
Kladívkové šrotovníky na rozdíl od předcházejících typů nerozmělňují
materiál působením statických, ale naopak dynamických sil. Materiál, přiváděný
tangenciálně z násypky do šrotovací komory je vystaven úderům rotujících i
pevných částí stroje. Rotujícími částmi jsou kladívka kladívkového bubnu se
značnou frekvencí otáčení, pevnou částí drhlice šrotovací komory. Dostatečně
rozmělněný materiál pak propadá sítem do sací komory, odkud je odsáván
ventilátorem a dopravován do odlučovače.
Rozmělňovací účinek kladívkových šrotovníku je založen na principu
rázů kladívek na zrno. Působením těchto rázů je zrno nejen částečně rozrušeno,
ale získává kinetickou energii, kterou jsou jeho částice vrhány na drhlice a síto.
Dochází tak k jejich dalšímu drcení.
4
Šrotovací komora: tvoří pasivní část pracovního ústrojí. Ke zvýšení
rozmělňovacího účinku je vyložena alespoň v horní části rýhovanými vložkami
tzv. drhlicemi. Ve spodní části je oddělena vyměnitelnými síty od sací komory.
Kladívkový buben: je naopak aktivní částí pracovního ústrojí. Jeho
uložení je zpravidla řešeno tak , aby umožňovalo přímý pohon elektromotorem.
Sestává z hřídele, na němž jsou uloženy kotouče s otvory a v nich na čepech
volně navlečena kladívka. Počet a rozmístění kladívek ovlivňuje nejvíce proces
šrotování , rozměry pracovního prostoru a tím i výkonnost stroje. Počet bývá 24,
36 ,48 a někdy i více. Pro jejich rozmístění platí několik požadavků –pracovní
prostor má být kladívky zasahován v celé šířce bubnu, kladívka následujících
řad nemají jít ve stopách řad předcházejících a působení kladívek na částice
v axiálním směru má být omezeno na minimum.
Rozmělňovací účinek závisí na tvaru, jejich rychlosti vzhledem
k materiálu a na jejich poloze v pracovním prostoru vzhledem k sítu. Tvar
kladívek může být rozmanitý a to podle druhu šrotovaného materiálu.
Nejčastější jsou kladívka obdélníkového průřezu, jejichž oba konce opatřeny
stupňovitými pracovními hranami. Tím je lze po opotřebení jedné strany otočit a
znovu bez nabroušení použít. Pro některé materiály jsou vhodná kladívka
dlátovitá.
Poloha kladívek v pracovním prostoru by měla být vzhledem k sítu vždy
radiální. Po konstrukční stránce je tato poloha zajištěna umístěním kladívek
v čepech mimo těžiště. Z ní se však vychylují vlivem pracovního odporu,
tvořeného hlavně silami vznikajícími při nárazu kladívek na vstupující materiál.
Požadavkem je, aby odchylky kladívek od této polohy byly co nejmenší. Aby
tento požadavek byl plněn, musí těžiště úderu kladívka být totožné se středem
jeho otáčení .
Sací komora: plní funkci zásobníku pro sešrotovaný materiál před jeho
odsátím do cyklonu. V horní části ji tvoří vyměnitelné síto a velikostí otvorů
v rozmezí 1,5-8 mm. Velikostí těchto otvorů v sítech se zároveň reguluje
5
maximální rozměr rozmělňovaných částic. Částice, které sítem neprojdou, jsou
strhávány kladívky a dostávají se znovu do cirkulačního oběhu ve šrotovací
komoře. Jsou tak vystaveny novému rozmělňovacímu účinku a to tak dlouho, až
po určitém počtu oběhů propadnou sítem.
Kladívkové se pro všech velikostí podniků. Výkonnost můžeme
stupňovat počtem kladívek, průměrem a šířkou komory. Výkonnost je u nich
omezena pouze velikostí energetických prostředků. Kvalita práce u těchto
zařízení je velmi dobrá. Jejich nevýhodami jsou značná energetická náročnost a
také nutnost použití zařízení na oddělování rozmělněných částic od proudícího
vzduchu-cyklonu.
6
TALÍŘOVÝ ŠROTOVNÍK-KONSTRUKCE
Tato konstrukce vychází z horizontálního kamenného šrotovníku.
Zásadní změna konstrukce spočívala v nahrazení kamenů mnohadrážkovými
kotouči, které nahrazují roztírací účinek kamenů řezáním zrn. Chemicko-tepelné
zpracování nám zajišťuje stálost a dlouhou životnost ostří. Další změna
spočívala ve více jak trojnásobném zvýšení obvodové rychlosti a tím výrazné
zvýšení výkonnosti a samočisticích schopností, při snížení energetické
náročnosti.
Srdcem každého šrotovníku je mlecí ústrojí. Pro svou konstrukci jsem
se rozhodl použít dva ocelové kotouče o průměru 300 mm a tloušťce 60 mm.
Hmotnost materiálu nám zaručuje příznivé setrvačné účinky . Dodané
polotovary byly výpalky z ocelové desky dané tloušťky a přesnost polotovarů se
pohybovala řádově okolo pěti mm. K soustružení byl použit hrotový univerzální
soustruh SUR 260, velikost a tuhost tohoto stroje umožnila rychlé a kvalitní
obrobení. Menším problémem byly tepelné změny v místě řezu, které výrazně
snižovaly trvanlivost nástrojů. Oba kotouče jsem obrobil na stejný průměr-295
mm. V obou kotoučích jsem v první fázi vyvrtal otvor o průměru 38 H7. Dále
jsem vyrobil středící trn pro přesné upnutí na otočný stůl, trn byl vyroben ze
silonu.
Nejnáročnější fáze výroby bylo zhotovení řezných drážek čelních ploch
kotoučů. Zvolil jsem tyto parametry drážek: počet drážek na jednom kotouči byl
50, profil drážky podle speciální úhlové jednostranné frézy o vrcholovém úhlu
45 stupňů. Hloubka drážek je proměnlivá, na vnějším průměru 0,5 mm, u otvoru
6 mm (viz foto). Z důvodu dynamického vyvážení byla nutná vysoká přesnost
obrábění. K přesnému dělení bylo použito dělícího stolu o průměru 600 mm a
dělícím šnekovým převodem 1:100. K frézování jsem využil horizontální
vyvrtávačku H 80, při značném vysunutí vřetena. Práce byla poměrně zdlouhavá
7
cca 20 hodin. Na pohyblivý kotouč jsem vyfrézoval dvě plošky po 180 stupních
se závitovými otvory pro upevnění vyhrnovacích lopatek.
Dalším problémem byla velikost středového otvoru, který musí
zajišťovat dostatečný přísun materiálu a zároveň příliš nesnižovat činnou
plochu. Po několika zkouškách s různými druhy obilovin jsem zvolil průměr 85
mm. K eliminaci axiálních sil pohyblivého kotouče jsem se rozhodl použít
jednosměrného axiálního ložiska, které jsem částečně zapustil do pohyblivého
kotouče. Pro upevnění nepohyblivého kotouče bylo zhotoveno 6 otvorů se
závitem M 12.
U pracovních ploch bylo nutné zvýšit tvrdost, při zachování
houževnatosti celého kotouče. Daná ocel vylučovala, kvůli malému obsahu
uhlíku, přímé povrchové kalení. Muselo být provedeno cementování a teprve
pak povrchové kalení pracovních ploch.
Mlecí komora : mlecí komora je zároveň nosným rámem stroje, a proto
byla nutná její masivní konstrukce. Spodní nosná část, na které je připevněn
elektromotor, je tvořena ocelovým plechem čtvercového tvaru o délce hrany 350
mm a tloušťce 10 mm. Ve středu spodní části je zapuštění pro axiální ložisko.
Stěny komory jsou vytvarovány z ocelového plechu tloušťky 5 mm s plynulým
přechodem do vyhazovacího otvoru (viz. foto). Ve vrchní části se nacházejí tři
držáky nepohyblivého kotouče. Vrchní část tvoří víko umožňující snadnou
kontrolu pracovních částí .Víko je vyrobeno z ocelového plechu tloušťky 3 mm.
Zásobník má tvar komolého čtyřbokého jehlanu. Ve spodní části je
umístěno uzavírací hradítko. Zásobník má objem cca 50 l a je vyroben
z ocelového plechu tloušťky 2 mm.
Jako pohonnou jednotku jsem zvolil třífázový, asynchronní, přírubový
elektromotor o výkonu 7,5 kW a jmenovitých otáčkách 2800 min-1.
8
PROVOZNÍ PARAMETRY
Ukázalo se, že ruční plnění stroje již nebude vyhovovat. Bude nutné
instalovat k zařízení podávací zařízení s dostatečným průtokem a možností
kombinací různých druhů obilovin. Hlučnost u tohoto zařízení je na velmi
přijatelné úrovni. Kvalita šrotované směsi je dobrá, zařízení má tendenci
vytvářet prachové částice. Do budoucna bude také nutné nahradit odběr
materiálu z textilních vaků na šrotování do velkoobjemového zásobníku.
Výkonnost byla testována na těchto obilovinách: ozimá pšenice, jarní
ječmen, oves, ozimé triticale.
Tabulka výkonnost pro jednotlivé plodiny
Plodina
Výkon
ozimá pšenice jarní ječmen
1700 kg
1400 kg
ozimé triticale Oves
1600 kg
1300 kg
U těchto zkoušek bylo obtížné zajistit plynulou výměnu textilních vaků
a přísun materiálu. Výkonnost by bylo možné zvýšit přidáním čechrače a
některými dalšími úpravami. Zvolený motor pracuje s velkou výkonovou
rezervou, zřejmě by postačoval motor o nižším výkonu při zachování otáček.
Pro kontrolu okamžitého příkonu by bylo dobré zařadit do okruhu ampérmetr.
Na vstupu budou nainstalovány prstencové magnety pro zachycení případných
kovových příměsí.
9
ENERGETICKÁ BILANCE
Celá tato moje práce byla koncipována ke snížení energetické
náročnosti. Toto zařízení v tomto směru dokonce předčilo mé očekávání.
Spotřeba elektrické energie tohoto zařízení se pohybuje zhruba na 40% spotřeby
kladívkového šrotovníku. Také ventilační účinek je minimální. Použití
materiálu, který má chemicko-tepelné zpracování, se jeví jako velmi dobré
z hlediska dlouhé životnosti a spolehlivosti celého zařízení. Energetická
náročnost je obdobná jako u válcového šrotovníku, při možnosti velké
výkonnosti a malých rozměrech celého zařízení. Výhodou proti válcovým
šrotovníkům je i možnost šrotování materiálů o vyšší vlhkosti.
Uvážíme-li, že v České republice je každý rok spotřebováno přibližně
čtyři miliony tun obilovin zpracovaných převážně kladívkovými šrotovníky, je
jasné, že se nejedná o zanedbatelné množství energie. Na jednu tunu spotřebují
kladívkové šrotovníky 12-15 kWh elektrické energie podle použitého zařízení.
Vynásobíme-li tato čísla, dostaneme celkovou potřebu energie, ta činí 48-60
milionů kWh.
10
ZÁVĚR
Nahrazením energeticky náročných kladívkových šrotovníků zařízeními
s výrazně nižší spotřebou elektrické energie by došlo k ušetření nemalých
finančních prostředků. Při předpokládané ceně 3 Kč za kWh by to činilo úsporu
ve výši 48-60 milionu Kč za 1 rok.
Toto zařízení je pouze prototyp a jistě by bylo možné pokračovat v jeho
vývoji. Perspektivně se jeví například použití křivkových drážek nebo zvětšení
průměru kotoučů
11