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 oba válce jsou buď uloženy v jedné horizontální rovině, 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 ozimá pšenice jarní ječmen ozimé triticale Oves Výkon 1700 kg 1400 kg 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