Justification of the Design and Operating Parameters of the Improved Disc Grain Crusher

Abstract

The study examines the influence of key structural and technological parameters of a disc crusher with impact plates–the distance between liners, installation angle, and linear movement speed–on the crushing process of maize, wheat, and barley grains. Numerical modeling using the Discrete Element Method (DEM) in Simcenter STAR-CCM+ revealed patterns of variation in breaking force during impact cutting. An integral efficiency criterion was proposed to minimize the breaking force while maximizing productivity and reducing energy consumption. Rational process parameters were determined for each crop, considering their physico-mechanical properties: liner distance l = 1.68–1.79 mm, installation angle β = 21.8–25.3° , particle velocity V = 4.72–5.86 m/s, disc speed n = 1503–1865 rpm, and clearance δ = 0.68–0.79 mm. Experimental studies yielded models describing specific energy consumption, dust-like fraction, and crushing degree depending on the liner angle, number, and rotation speed. Optimization showed that energy consumption was lowest for wheat (3.63 kWh/t) and highest for barley (6.76 kWh/t). The dust fraction was greatest for maize (5.13%) and lowest for barley (1.34%). Optimal grinding regimes were found at n = 1500–1764 rpm, β = 15.9–17.7°, and z = 9 plates. The results confirm the efficiency of adapting crusher parameters to grain properties. У дослідженні розглянуто вплив основних конструктивних і технологічних параметрів дискового подрібнювача з ударними пластинами – відстані між робочими поверхнями, кута їх встановлення та лінійної швидкості руху – на процес подрібнення зерен кукурудзи, пшениці та ячменю. Чисельне моделювання методом дискретних елементів (DEM) у середовищі Simcenter STAR-CCM+ дало змогу виявити закономірності зміни руйнівного зусилля під час ударно-різального впливу. Запропоновано інтегральний критерій ефективності, який забезпечує мінімізацію руйнівного зусилля за одночасного підвищення продуктивності та зниження енергоспоживання. Для кожного виду зерна, з урахуванням його фізико-механічних властивостей, визначено раціональні параметри процесу: відстань між поверхнями l = 1,68–1,79 мм, кут встановлення β = 21,8–25,3°, швидкість частинок V = 4,72–5,86 м/с, частота обертання диска n = 1503–1865 об/хв і зазор δ = 0,68–0,79 мм. Експериментальні дослідження дали моделі, що описують питоме енергоспоживання, вміст пилоподібної фракції та ступінь подрібнення залежно від кута, кількості та швидкості обертання робочих пластин. Оптимізація показала, що найменше енергоспоживання спостерігалося для пшениці (3,63 кВт•год/т), а найбільше – для ячменю (6,76 кВт•год/т). Найвищий вміст пилоподібної фракції отримано для кукурудзи (5,13%), а найнижчий – для ячменю (1,34%). Оптимальні режими подрібнення встановлено при частоті обертання n = 1500–1764 об/хв, куті β = 15,9–17,7° та кількості пластин z = 9. Результати підтверджують ефективність адаптації параметрів подрібнювача до властивостей зерна.