Измельчение зерна на жерновах

22.01.2016

Рабочая поверхность жерновов. Жернова являются (рис. 132) наиболее древней машиной для измельчения зерновых продуктов. Несмотря на несколько тысяч лет своего существования, жерновые постава до сих пор еще находят при известных условиях применение при переработке зерна в муку.
Рабочими частями жернового постава являются две поверхности, из которых одна вращается, а другая обычно остается неподвижной.
Жернова изготовляются из естественного или искусственного камня, а иногда из металла.

Рабочая поверхность жерновов должна отличаться следующими качествами:
1) однородностью, для того чтобы измельчение происходило одинаково по всей рабочей поверхности;
2) твердостью, для того чтобы в процессе работы их поверхность не истиралась и не срабатывалась;
3) вязкостью, чтобы отдельные более твердые частицы каменной породы не выкрошивались;
4) пористостью, чтобы рабочая поверхность в процессе работы не полировалась и оставалась шероховатой.
Для изготовления жерновое употребляются кварцевые камни, песчаниковые, порфировые и гранитные камни.
В настоящее время преобладающее значение имеют искусственные поверхности жерновов, которые при правильно составленной смеси для заливки удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям.
Искусственные жернова изготовляются из каменной породы (наждака, кварца, кремния и др.), соответствующим образом измельченной и скрепленной составом, состоящим из магнезита (MgO) и хлористого магния (MgCl2). В обычной смеси берется 70% твердой породы, 16% магнезита и 14% хлористого магния.
Воя поверхность жерновов рядом концентрических окружностей может быть разделена на несколько поясов.
Центральная часть жернова представляет собой круглое отверстие (А) (рис. 133), через которое продукт поступает на измельчение. Эта часть жернова называется глазом.

Следующая средняя часть жернова имеет коническое очертание и называется глотком. Наконец, периферийный пояс, который расположи горизонтально, называется мелющим поясом.
Рабочей поверхностью, производящей измельчение продукта, является не вся поверхность жернова, а только мелющий пояс, ширина которого, во избежание перегрева продукта, редко делается больше 20 см.
Следует отметить, что естественные жернова изготовляются из отдельных кусков камня, соединенных цементом, причем мелющий пояс делается из лучшей породы, а глоток — из менее ценного камня. Что касается верхней, нерабочей, поверхности камня, то она обычно состоит из цементной заливки.
В искусственных камнях наждачной массой заливается также сравнительно тонкий слой рабочей части камня.
Жернова должны быть окованы железными обручами, предохраняющими их от разрыва.
На рабочей поверхности жерновов высекается ряд радиальных бороздок (рис. 134). Эти бороздки служат дорожками, но которым продукт под действием краев дорожек (по нормали к ним), а также увлекаемый центробежной силой, выводится из жерновов. Кроме того, по бороздкам циркулирует воздух, действуя вентилирующий образом на продукт а охлаждая его в процессе измельчения.
Раньше бороздки считались режущими гранями для измельчения продуктов, но это неправильно. Измельчение происходит на горизонтальной поверхности мелющего пояса и наклонных плоскостях бороздки.
Форма бороздок должна обеспечить удобный выход продукта из бороздки на мелющую поверхность. Поэтому форма (а) на рис. 135 является неудовлетворительной, ибо в заднем углу букет оставаться продукт, который очень трудно выводить из бороздки. Лучшее сечение имеет бороздка (b), а наиболее целесообразной является форма (с).
Ширина бороздок делается в 20—30 мм, а глубина в 5—10 мм. Чем мельче размол, тем меньших размеров делаются бороздки.
Для вывода продуктов по бороздкам из жерновов очень важным элементом является угол, под которым пересекаются бороздки верхнего и нижнего камней.

Рассмотрим, как действуют силы, выводящие продукт, и чему должен равняться угол пересечения бороздок.
На рис. 136 в точке (Q), в которой пересекаются бороздки (AS) верхнего камня с (CD) нижнего камня, находится частица продукта. Предположим, что бороздил имеют криволинейное направление. Проведем через точку (Q) к каждой из этих кривых касательные (SK) и (LM).
Бороздки верхнего камня действуют на частицу продукта с силой (P), а бороздки нижнего камня с силой (P1), причем эти силы направлены перпендикулярно к касательным кривых бороздок.
Эти силы при продвижении частиц в бороздке нижнего камня вызывают силы трения (Pf) и (P1f1), направленные по касательным к бороздкам.
Для того чтобы частица продукта продвигалась вперед, необходимо, чтобы сумма проекций всех сил на касательную нижнего камня была больше нуля:

В направлении, перпендикулярном к этой касательной, никакого движения нет, ибо частица встречает здесь сопротивление стенки бороздки.
Из этого следует, что сумма проекций всех сил на направление (QP1) должна равняться нулю:

Если обозначим угол пересечения бороздок (SQM = α), то получим следующее значение углов, входящих в указанные уравнения:

Согласно этим значениям углов уравнения принимают следующий вид:

Определив из последнего уравнения значение (P1) и подставив его в уравнение (43), получаем:

Из этого уравнения получаем:

Так как коэффициенты трения f и f1 соответственно равны тангенсам углов трения (tgφ и tgφ1), то

При условии, когда верхний и нижний жернова сделаны из одной породы, коэффициенты трения у них одинаковы, тогда получаем:

т. е. для того чтобы продукт мог передвигаться вдоль бороздки, необходимо, чтобы угол пересечения бороздок верхнего и нижнего камней был больше двойного угла трения.
Угол трения продукта помола о поверхности жернова доходит до 37°, поэтому угол бороздок должен быть больше 74°.
Таким образом, перемещение продукта в бороздках происходит под влиянием касательных усилий, возникающих в бороздках, центробежной силы, а также под действием тока воздуха в этих бороздках.
Вне зависимости от направления и формы бороздки верхнего и нижнего камней должны пересекаться по одну сторону диаметра только в одной точке.
Если же направление бороздок таково, что они в каждой половине жернова пересекаются в двух точках, то продукт выходить не будет, ибо если в одной точке пересечения силы будут передвигать продукт к периферии, то в другой точке направление этих сил будет обратное, т. е. по направлений к центру.

Бороздки бывают круговые (рис. 137) и прямолинейные (рис. 138).
Круговые бороздки представляют собой часть дуги окружности, описанной определенным радиусом. Центр окружности бороздки не совпадает с центром жернова, а находится от него на некотором расстоянии.
В старых круговых бороздках расстояние между центрами равнялось 4/5—7/8 радиуса жернова, причем радиус самой окружности бороздки равнялся этому же расстоянию.
В новых круговых бороздках расстояние между центрами равняется 1 2/3—2 радиусам жернова, а радиус бороздки на 75 мм больше расстояния между центрами. При таком большом радиусе кривизны эти бороздки приближаются к прямолинейным.
К криволинейным бороздкам относятся логарифмические, отличающиеся тек свойством, что угол их пересечения остается постоянным, вне зависимости от расстояния точки пересечения от центра жернова.
При прямолинейной насечке имеются бороздки промежуточные и главные. В зависимости от расположения промежуточных бороздок имеется несколько видов прямолинейной насечки.
На рис. 138а представлены бороздки, в которых промежуточные имеют такой же эксцентриситет, как и главные. При такой насечке промежуточные бороздки отличаются от главных только по длине.
Второй вид прямолинейных бороздок представлен на рис. 138b.
Главные бороздки строятся так же, как в предыдущей насечке при том же эксцентриситете, но промежуточные бороздки расположены параллельно главным, вследствие чего имеют больший уклон. Такое расположение способствует в максимальной степени выводу продукта из жернова, поэтому этого вида насечка жернова получила наибольшее распространение.
Как было указано выше, продвижение продукта в бороздках происходит не только под влиянием силы давления поверхности жернова на продукт в точках пересечения бороздок, но и под влиянием центробежной силы и скорости движения воздуха в них.
Последние усилия по мере приближения к периферии увеличиваются, поэтому уменьшение угла пересечения бороздок противодействует возрастанию скорости движения продукта под влиянием центробежной силы.
Практически линии бороздок на жернове наносятся по заранее изготовленному шаблону с соответствующим типом бороздок.

Работа жерновых поставов с вертикальной осью вращения. Нa рис. 138 представлен вид жернового постава, который, несмотря на устаревшую конструкцию, встречается очень часто па сельскохозяйственных мельницах.
Необходимым условием для правильной и безопасной работы жернового постава является балансировка бегуна. Если жернов неоднороден по своей толщине или по удельному весу своей массы, а также если форма его сечения не равняется правильному кругу, то при вращении появляется неуравновешенная центробежная сила.
Эта сила вызывает так называемое биение жернова, очень вредно влияющее как на технологический эффект измельчения, так и на прочность движущихся частей постава.
Биение жернова может также получиться вследствие неправильного положения параплицы, когда центр веретена не совпадает с центром бегуна, или при перекосе веретена, когда последнее расположено не строго вертикально. При этом параллельность рабочих поверхностей обоих камней нарушается. При правильном, горизонтальном положении лежняка одна часть бегуна будет находиться ближе к лежняку, а другая дальше. Естественным последствием измельчения на таком поставе является неоднородность крупноты измельчаемых продуктов. Даже при очень низком расположении бегуна в измельченном продукте будет много крупных, неразмолотых частиц.
Во избежание получения таких частиц приходится сближать жернова больше допустимого предела, что приводит к перегреву, а иногда и пережогу продукта.
Центробежная сила при работе неотбалансированного или неправильно установленного жернова может достичь таких размеров, которые приводят к разрыву жернова.
К фактам, влияющим на перегрев продуктов помола, относятся замазанность и недостаточная острота мелющих поверхностей.
При естественных жерновах плохая порода камней, поддающаяся полировке, требует частой насечки с целью придать шероховатость их поверхностям.
Замазывание может также получиться при искусственных жерновах, когда заливаемая масса составлена по неправильному рецепту. Избыток магнезита, большая плотность хлористого магния или недоброкачественная порода являются причинами плохого измельчающего эффекта и перегрева продуктов на жерновах.
Наконец, причиной плохой работы жерновов является клейстеризация муки, получающаяся при горячем помоле влажного зерна. Поэтому рабочие поверхности следует почаще очищать от всяких приставших к ним частиц клейстера и пыли.
Особенности работы жерновов с нижним бегуном. Жернова с нижним бегуном не нашли широкого распространения в мукомольной промышленности.
Объясняется это тем, что нагрузка на подпятник при такой конструкции получается значительно большей, чем при верхнем бегуне.
Вертикально действующими силами в жернове являются вес вращающегося камня и реакция измельчаемого продукта.
При верхнем бегуне сила его тяжести направлена вниз, а сила реакции измельчаемого продукта вверх. Поэтому па подпятник передается только разность этих двух сил.
При нижнем бегуне обе эти силы направлены вниз, поэтому на подпятник передается сумма этих сил.
Кроме того, при нижнем бегуне труднее установить жернов в отбалансированное состояние.
Наряду с этими крупными недостатками жерновой постав с нижним бегуном отличается определенным достоинством, заключающимся в том, что выход продукта из жернова значительно ускоряется, и это влечет за собой увеличение его производительности.
Вследствие вращения нижнего камня продукт, лежащий на нем, быстро приобретает центробежную силу, которая отбрасывает его к окружности жернова.
Особое внимание при нижнем бегуне должно быть обращено па направление бороздок. При их неправильном расположении по бороздкам могут выбрасываться части неизмельченного продукта, которые сильно ухудшают качество получаемой муки.
Окружная скорость и производительность жерновов. Производительность жерновов является функцией окружной скорости вращения бегуна. Поэтому желательно придать жерновым поставам большее число оборотов.
Однако при больших скоростях вращения увеличиваются нагрев продукта и действие центробежной силы, стремящейся разорит жернов.
Исходя из расчета прочности каменной породы, окружная скорость вращения жернова не должна быть, больше 10 м/сек.
Производительность жерновов зависит также от структуры зерна, его влажности и крупноты помола.
В табл. 29 приводятся средние технические показатели работы жерновов различных диаметров при перемоле зерна на муку:

Кроме разового помола целого зерна в муку, жернова могут быть использованы для вымола оставшихся после помола оболочек. На таком продукте производительность может быть в 1,5—2 раза больше указанных в табл. 29 данных.
Работа жерновых поставов с горизонтальной осью вращения. Эти машины (рис. 139) под названием фермер имеют довольно широкое распространение на мельницах и служат главным образом для вымола оболочек (отрубей) после помола их на других измельчающих машинах — вальцевых станках.
При размоле продукта на жерновах с горизонтальной осью вращения на частицы продукта действуют как сила тяжести, так и центробежная сила. Первая сила стремится выбросить продукт из жернова по кратчайшему пути вниз. Однако сила тяжести по сравнению с центробежной силой очень мала. Поэтому продукт захватывается жерновами и измельчается как на нижней, так и на верхней половинах поверхности. Окружная скорость фермеров доводится до 17 м/сек при диаметре от 400 до 750 мм.
Технические показатели жерновов фермеров представлены в табл. 30.