Повышение эффективности приготовления кормосмеси на основе стебельчатого корма и обоснование параметров пресс-экструдера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение эффективности приготовления кормосмеси на основе стебельчатого корма и обоснование параметров пресс-экструдера

Денисов Сергей Владимирович

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Саратов 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель:

кандидат технических наук,

доцент Новиков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Павлов Павел Иванович

доктор технических наук,

доцент Коновалов Владимир Викторович

Ведущая организация:

Федеральное государственное учреждение «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция» (ФГУ «Поволжская МИС»)

Защита диссертации состоится в 1300 ч. «29» сентября 2006 года на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при Саратовском государственном аграрном университете имени Н.И. Вавилова по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2006 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Волосевич Н.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсификация животноводства неразрывно связана с увеличением производства кормов, расширением их ассортимента и повышения качества. Многолетними исследованиями установлено, что эффективность корма будет тем выше, чем больше он соответствует по содержанию питательных веществ потребностям животных.

В последние годы в практике кормопроизводства используется эффективный метод повышения качества кормов - способ экструдирования. Способ экструдирования используют, для приготовления разнообразных кормов для сельскохозяйственных животных. Применение данного способа позволяет повысить переваримость и питательную ценность продукции и обеспечить сбалансированное питание животных, снизить затраты на подготовку кормов к скармливанию, транспортирование и хранение, а также улучшается процесс раздачи и дозирования.

Однако широкое распространение способа экструдирования сдерживается из-за недостаточной изученности этого процесса и отсутствия обоснованных технологических режимов работы пресс-экструдеров и больших удельных энергозатрат.

Поэтому разработка технических средств для производства экструдированных продуктов является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой: «Совершенствование технологий и разработка устройств для экструзионной переработки сельскохозяйственной продукции». РГ № 01 2005 04658 до 30.12.10.

Цель работы - повышение качественных и технико-экономических показателей работы пресс-экструдера путем совершенствования технологического процесса экструзии и конструктивных параметров пресс-экструдера.

Объект исследования. технологический процесс пресс-экструдера для приготовления кормовой смеси на основе стебельчатого корма.

Предмет исследования. Пресс-экструдер для приготовления кормовой смеси на основе стебельчатого корма.

Методика исследований. Общая методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок, их экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях, и экономическую оценку результатов исследований.

Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, математики и статистики.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на основе общепринятых методик и частных методик, разработанных автором, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием ЭВМ.

Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема экструдера для приготовления кормовой смеси на основе стебельчатого корма, новизна конструктивных элементов которого подтверждена патентом РФ № 2225144. Получены аналитические выражения для определения конструктивных параметров пресс-экструдера в зоне питания.

Практическая ценность работы. Разработан технологический процесс работы экструдера для приготовления кормовой массы на основе измельченной соломы, новизна конструктивных элементов которого подтверждена патентом РФ № 2225144. Результаты исследований приняты за основу при создании опытного образца пресс-экструдера.

Определены основные конструктивно-технологические параметры пресс-экструдера. Представленные аналитические выражения могут быть использованы для определения параметров и режимов работы пресс-экструдера.

Достоверность результатов работы. подтверждается сравнительными испытаниями, использованием современных методов и технических средств исследований, а также результатами многофакторных экспериментов.

Реализация результатов исследований. Предложенный пресс-экструдер исследован в лабораторных условиях, а также испытан и внедрен в условиях СПК «Калинина» и СПК «Чапаева» Исаклинского района Самарской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях Самарской ГСХА в 2000…2006 г.г., Пензенской ГСХА 2002 г, 2005 г., ГНУВИИТиН Тамбов. 2003 г, 2005 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 1 патент РФ, 1 в журнале который входит в перечень поименованный ВАК РФ, общим объёмом 2,73 п.л., из них на долю автора приходится 1,76 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 142 страниц машинописного текста, включает 38 рисунков, 15 таблиц, 7 приложений. Библиографический список используемых литературных источников включает 107 литературных источников, в том числе 6 на иностранных языках.

Научные положения и результаты исследований выносимые на защиту:

конструктивно технологическая схема экструдера для приготовления кормовой массы из измельченной соломы, новизна которого подтверждается патентом РФ № 2225144;

результаты теоретических исследований процесса прессования в зоне питания с обоснованием основных конструктивных параметров зоны питания пресс-экструдера;

полученные данные лабораторных исследований по изучению физико-механических свойств экструдируемого материала и их влияние на основные конструктивные параметры зоны питания ;

результаты производственных испытаний пресс-экструдера при обработке на нем кормовой смеси на основе волокнистого материала и полученные экономические показатели.

стебельчатый корм экструдер

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и представлена общая характеристика работы.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» выполнен анализ основных направлений развития способов подготовки грубых кормов к скармливанию, и конструкций существующих пресс-экструдеров, используемых при подготовки кормовых смесей на основе стебельчатого корма.

Проведенный анализ исследований Горячкина В.П., Лихачева Ф.С., Симановича В.С., Егорова В.Т., Гриб В.К., Острецова В.Н., Челышева С.В., Жунусбаева Б., Макарова Е.С., Новикова В.В., Луткина Н.И., Карташова Л.П., Полищук В.Ю., Кобы В.Г., Кукта Г.М., Петрова В.В., Шимко В.В., Якименко А.В., Доценко С.М., Ханина В.П., Дидык Т.А. и других авторов позволил получить ценные рекомендации для совершенствования технологического процесса экструдирования материалов и улучшения рабочего процесса пресс-экструдера.

На основании анализа и классификации существующих способов подготовки грубых кормов к скармливанию выявлено, что наиболее перспективным направлением является способ экструдирования.

При использовании экструдированных кормов снижаются затраты на их транспортировку, сокращаются потери кормов и полностью механизируется процесс их раздачи. Экструдированные корма можно использовать в качестве страховых фондов на следующие годы, они охотнее поедаются животными, повышается их продуктивность.

На основании анализа и классификации существующих конструкций пресс-экструдеров установлено что применяемые для приготовления корма пресс-экструдеры, как показали, наши исследования не могут быть использованы для переработки смеси на основе стебельчатого корма (измельченной соломы).

На наш взгляд наиболее перспективным является приготовление полнорационных кормосмесей на основе измельченной соломы в пресс-экструдере. Но данный процесс не достаточно изучен:

- не установлено оптимальное соотношение входящих компонентов в исходную смесь на основе стебельчатого корма;

- не проведена оптимизация конструктивно-режимных параметров пресс-экструдера в зоне питания;

- не изучены физико-механические свойства, теплофизические характеристики смеси и не установлена их зависимость от основных параметров процесса экструзии.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований:

1. на основании анализа литературных и патентных источников обосновать и разработать конструктивно - технологическую схему пресс-экструдера для приготовления кормосмеси на основе стебельчатого корма.

2. провести теоретические исследования и получить аналитические выражения для расчета конструктивных параметров зоны питания пресс-экструдера в зависимости от физико-механических свойств экструдируемой смеси.

3. Изучить физико-механические свойства смеси на основе соломы и установить их зависимость от основных параметров процесса экструзии (P, T, х).

4. выявить степень влияния компонентов, входящих в исходную смесь, на качество кормосмеси и определить их оптимальное соотношение.

5. Провести производственную проверку результатов исследований и дать экономическое обоснование использования экспериментального пресс-экструдера.

Вторая глава «Теоретическое обоснование технологического процесса работы пресс-экструдера» включает описание конструкции и принципа действия пресс-экструдера, анализ движения материала в винтовом канале шнека, определение и обоснование угла наклона винтовой линии, длины и шага шнека в зоне питания, и аналитическое выражение производительности пресс-экструдера по зоне питания.

Конструктивно-технологическая схема пресс-экструдера для приготовления кормосмеси на основе измельченной соломы представлена на рисунке 1.

Экструдер работает следующим образом. При пуске экструдера подающий шнек 1 захватывает массу из загрузочной воронки и направляет ею в сторону прессующего шнека 3 откуда смесь захватывается задним витком прессующего шнека и постепенно уплотняясь, перемещается в зону пластификации и выдавливания где за счет сил трения происходит увеличение давления и температуры. В результате баротермической обработки увеличивается количество сахаров в корме, снижается содержание целлюлозы и клетчатки.

Так как шаг подающего шнека 1 больше шага прессующего шнека 3, смесь начинает уплотняться, а подающий шнек упруго сжимается, уменьшая свой шаг. В результате объем подачи смеси уменьшается, пока масса этого объема не сбалансируется с массой уплотненной смеси, захватываемой прессующим шнеком 3.

Сбалансировавшийся режим подачи смеси и далее выдерживается подающим шнеком 5.



Рисунок 1. Конструктивно-технологическая схема пресс-экструдера для приготовления кормосмеси на основе измельченной соломы: 1 - подающий шнек; 2 - вал ротора; 3 - шнековая часть; 4 - корпус; 5 - коническая головка; 6 - регулятор гранулятор; 7 - рычаг регулятора гранулятора; 8 - термопара; 9 - дозатор

Конструкция зоны питания пресс-экструдера обеспечивает стабильный процесс экструдирования за счет уплотнения на установившемся уровне смеси, подаваемой непосредственно на прессующий шнек.

Для определения конструктивных параметров зоны питания пресс-экструдера рассмотрим движение сыпучего материала, находящегося в винтовом канале нарезки шнека.

при попадании материала в цилиндр пресс-экструдера происходит уплотнение частиц, которые в дальнейшем склонны перемещаться как сплошная неразрывная среда. Движение массы происходит в результате действия сил трения, которые воздействуют на массу со стороны шнека и цилиндра пресс-экструдера. На массу действуют силы трения, которые возникают между поверхностью массы и поверхностями шнека и цилиндра рисунок 2.



Рисунок 2. - Схема движения материала в винтовом канале шнека в зоне питания

Рассмотрим силы трения, действующие на массу. При установившемся движении эти силы должны быть равны.

, (1)

где - сила трения действующая на массу со стороны поверхности шнека;

- сила трения действующая на массу со стороны цилиндра;

Так как и ? должны быть всегда положительными, то силы трения действующие на массу со стороны цилиндра, всегда должны быть больше, чем силы трения, действующие со стороны поверхности шнека.

. (2)

Считаем, что частицы материала движутся, как сплошная неразрывная среда.

Для продолжения исследования необходимо ввести дополнительные, предположения касающиеся природы сил .

Но сначала сделаем определенные выводы относительно поведения массы в некоторых предельных случаях.

Во первых, при движение массы невозможно. В этом случае угол ? равен нулю. Таким образом, движение массы вдоль винтового канала отсутствует. Масса просто находится в канале шнека, и вращается вместе с ним. При таких условиях процесс экструзии прекращается.

Второй предельный случай имеет место при «проскальзывание шнека», т.е. когда действующие со стороны шнека силы трения не оказывают никакого воздействия на массу. Если в винтовом канале отсутствует градиент давления, то становится равным нулю, и следовательно. Из этого следует что .

Третий предельный случай. Для продвижения массы вдоль оси на поверхности цилиндра нарезаны продольные пазы, то тогда угол .

рассмотрим условия, при которых движение массы в винтовом канале прекратится. Это условие будет наступать тогда, как только ? станет равным нулю. Обозначим отношение сил, при котором вызывается это условие, через . Уравнение (2) показывает, что является функцией угла подъема винтовой линии. Для движения массы при больших углах подъема винтовой линии требуется более благоприятное соотношение сил трения, чем для малых углов. Например, если угол подъема винтовой линии близок к 900, то устойчивый процесс можно осуществить только с таким шнеком, коэффициент трения которого по отношению к массе равен нулю. С другой стороны, по мере уменьшения угла подъема становится приемлемым все менее благоприятные соотношения сил трения.

В предельном случае, когда угол подъема винтовой линии уменьшится, до нуля значение , станет равным единице.

Есть все основания предполагать, что во время работы пресс-экструдера соотношение сил трения меняется в определенных пределах, зависящих от условий процесса. Следовательно, изменение скорости вращения шнека, и других факторов приведет, к изменению соотношения между силами трения. Приостановка или даже полное прекращение питания для шнека с большими углами подъема винтовой линии более вероятно, чем для шнеков с малыми углами подъема винтовой линии.

Более детальный анализ сил позволил сделать вывод, что при малых углах подъема винтовой линии создаются более благоприятные условия для транспортировки сыпучих тел.

Предположим, что масса оказывает на соприкасающиеся с ней поверхности «гидростатическое» т.е. одинаковое во всех направлениях давление. Кроме того, примем, что градиент давления вдоль винтового канала отсутствует. При таких условиях силы трения, действующие на массу, получим, умножая площадь поверхности на коэффициент трения. Отношение сил трения R в этом случае равно

, (3)

где Sш - общая площадь поверхности шнека, соприкасающаяся с массой, м2;

Sц - площадь цилиндра, соприкасающаяся с массой, м2;

fш - коэффициент трения о поверхность шнека;

fц - коэффициент трения о поверхность цилиндра.

После подстановки значение Sц и Sш и нескольких преобразований выражение 3 примет вид:

. (4)

Преобразовав выражение (4) получим

. (5)

Данное выражение позволяет определить угол наклона винтовой линии шнека в зависимости от конструктивных параметров шнека и физико-механических свойств перерабатываемого сырья. Теоретическая зависимость угла наклона винтовой линии шнека в зависимости от коэффициента трения представлена на рисунке 3.

Исходя из ранее принятых предпосылок, представляется возможным определить также производительность зоны питания.

Производительность шнека в зоне питания получим, умножив скорость движения материала вдоль оси шнека на площадь живого сечения материала вдоль оси шнека, плотность продукта, коэффициент осевой скорости материала, коэффициент заполнения межвиткового объема шнека и коэффициент учитывающий сжатие спирали шнека:

, (6)

где Q - производительность шнека по зоне питания, т/ч;

- коэффициент заполнения межвиткового объема шнека;

- коэффициент учитывающий сжатие спирали шнека;

кн - коэффициент осевой скорости материала.

Учитывая, что

. (7)

коэффициент осевой скорости материала определяется:

, (8)

где - угол трения, .

скорость движения материала вдоль оси шнека,

. (9)

Получим

. (10)

На основании ранее принятых предположений пренебрегаем относительным смещением слоев внутри материала, поскольку они не нарушают целостность потока материала и носят характер упругих деформаций.

Рисунок 4 - Схема внешних сил действующих на элемент массы в зоне питания

На рисунке 4 показаны внешние силы, действующие на материал в рассматриваемом случае, причем в качестве исходной взята плоскость, перпендикулярная к оси шнека.

Приняты следующие обозначения:

- перпендикулярная сила давящей стороны нарезки шнека в зоне питания;

- суммарная сила трения на поверхности шнека

- сила, обусловленная перепадом давления и вызывающая обратное течение материала;

- тангенциальная сила трения у стенки цилиндра.

Согласно условия равновесия сил:

(11)

или соответственно в дифференциальной форме:

(12)

При этом сила давления рабочей боковой поверхности винтового канала на материал уравновешивается силой .

Обозначим через Х направление координаты вдоль средней оси рассматриваемой полосы материала, получим, что условия равновесия приводится к виду.

(13)

В проекциях на ось О-Х получим:

, (14)

где - глубина канавки, м;

-коэффициент трения материала о поверхность шнека;

- давление в рассматриваемом объеме, Па;

- ширина канала, м;

- сила трения материала о поверхность цилиндра, Н;

- коэффициент трения материала о поверхность цилиндра;

- угол наклона винтовой линии шнека.

Или, учитывая, что:

, (15)

получим,

. (16)

Очевидно, что:

. (17)

Сила, обусловленная перепадом давлений и вызывающая обратное течение материала

. (18)

Тогда с учетом уравнений (16; 17; 18), уравнение (13) примет вид:

. (19)

Разделяя переменные, получим

, (20)

, (21)

безразмерная величина А и учтем , что тогда получим:

, (22)

где - угол подъема винтовой линии шнека;

- длина шнека.

Интегрируя уравнение (22) с учетом граничных условий при , получим

. (23)

После потенцирования получим функцию нарастания давления по длине шнека

. (24)

Для обеспечения требуемого давления Ркр необходимо обеспечить длину шнека

. (25)

Широкий диапазон изменения шага шнеков объясняется не только различными физико-механическими свойствами перемещаемых материалов, но и подходом к решению этого вопроса с различных позиций.

Шаг шнека назначают, исходя преимущественно из цели достижения наибольшей производительности, определяемой наибольшей скоростью поступательного перемещения материала в винтовом канале.

Для шнеков напорной группы приемлемым считают шаг прессующих витков, при котором обеспечиваются меньшие энергозатраты при удовлетворительной производительности механизма.

Поскольку с изменением шага винта изменяются не только энергетические показатели, но и транспортирующая способность, более правильным следует считать подход к выбору оптимального шага винта шнека с учетом одновременно обоих показателей, т.е. оценивать работу механизма по величине удельных энергозатрат.

Определим оптимальный шаг винта шнека в зоне питания по величине удельных энергозатрат, определяемых отношением потребляемой мощности привода шнека к его производительности при текущем значении угла подъема винтовой поверхности.

Исходя из баланса энергозатрат на привод шнека, необходимо отметить, что энергетические показатели работы шнека в зоне питания определяются мощностью, потребляемой для преодоления момента сопротивления, возникающего между шнеком и перемещаемой массой при перемещении последней в сторону зоны прессования. Численные значения остальных составляющих потребной мощности привода невелико, а их влияние на величину энергозатрат при изменении шага шнека будет незначительным. Следовательно, о величине знергозатрат на привод шнека можно судить по значению момента сопротивления вращению напорного витка. Выражение для определения момента, необходимого для вращения напорного витка, имеет вид

, (26)

где Р - осевое усилие, необходимое для перемещения слоя материала.

Умножив уравнение (26) на угловую скорость шнека и выразив осевое усилие через осевое давление Рос и площадь поперечного сечения шнека Sш получим выражение для определения потребляемой мощности.

. (27)

По результатам проведенного теоретического исследования производительность шнека в зоне питания определяется уравнением (10).

Выражение, определяющее величину удельных затрат энергии, получим взяв отношение N к Q. В результате после нескольких преобразований имеем

. (28)

Для определения шага винта при подаче материала с известным коэффициентом трения достаточно взять производную от выражения (29) и приравнять ее нулю или решить этот вопрос графически, путем подстановки текущего значения в график на рисунке 5.

Теоретическая зависимость шага шнека S от угла наклона винтовой линии представлена на рисунке 5.

. (29)

в третьей главе «Методика проведения эксперимента» излагаются программа, общая и частные методики экспериментальных исследований, с описанием оборудования, применяемого в лабораторных и производственных условиях.

Программой исследований предусматривалось решение следующих задач:

- определение физико-механических свойств экструдируемой смеси;

- установление зависимости физико-механических свойств смеси на основе соломы от основных параметров процесса экструзии (P, T, х);

- выявление степени влияния компонентов, входящих в исходную смесь на качество кормосмеси и определение их оптимального соотношения.

В качестве экспериментального материала использовалась кормосмесь на основе измельченной соломы с различной влажностью состоящая: солома ячменная и смесь концентратов (ячмень, зерноотходы) процентный состав смесей Смесь № 1 90+(5+5) Смесь № 2 70+(10+20).

В наших исследованиях коэффициент трения экструдируемой смеси по поверхности шнека и цилиндра определялся на специальной лабораторной установке, состоящей из: рабочего цилиндра 1 (рисунок 6), в котором перемещается поршень 2 со штоком 3. Нормальное давление на материал, помещенный в рабочий цилиндр 1, осуществляется сменными грузами с помощью независимого рычажного приспособления. Исследуемая смесь при заданной влажности засыпалась в рабочий цилиндр, затем уплотнялась поршнем 2 до определенного давления при помощи грузов (на рисунке не показано).

При необходимости производился нагрев исследуемой смеси до заданной температуры, с помощью электроспирали 5, установленной вокруг рабочего цилиндра по всей его длине.

Для изоляции спирали от стального цилиндра и внешней изоляции была применена асбестовая нить 4.

Температуру нагрева поддерживали постоянной с помощью электрошкафа 8 с электронным потенциометром ЭПВ 2-11А, датчиком температуры служила термопара 10.

При приложении нагрузки на поршень, происходит сжатие и уплотнение смеси.

Рисунок 6 - Схема лабораторной установки для определения физико-механических свойств экструдируемой смеси

1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - асбестовая нить;

5 - электроспираль; 6 - ротор; 7 - электродвигатель; 8 -электрошкаф;

9 - пульт управления; 10 - термопара; 11 - термометр; 12 - рычаг

Основным рабочим органом пресс-экструдера является шнек, и корпус пресса. в лабораторной установке для имитации процесса скольжения экструдируемой смеси по шнеку и корпусу пресса мы использовали, ротор цилиндрической формы, считая его элементом шнека и корпуса пресса.

В начале испытаний производили тарировку установки на холостом ходу. Затем строили тарировочный график зависимости момента на валу электродвигателя от частоты вращения вала. Засыпали в подпоршневое пространство исследуемую смесь и уплотняли ее до заданного значения.

При проведении опытов замеряли значения F и N и определяли коэффициент трения по поверхности шнека и цилиндра:

. (30)

В четвертой главе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» представлены основные результаты лабораторных исследований и дан их анализ.

В ходе проводимых экспериментальных исследований производились, работы по определению физико-механические свойства смеси на основе соломы и устанавливалась их зависимость от основных параметров процесса экструзии (P, T, х). выявление степени влияния входящих компонентов в исходную смесь на качество кормосмеси и их оптимальное соотношение.

Коэффициент трения зерна ячменя о сталь, с изменением давления от 0,1 МПа до 6 МПа уменьшается от 0,36 до 0,16; смеси № 1 от 0,5 до 0,3; смеси № 2 от 0,42 до 0,23 при температуре продукта 293 0К, влажности 15% и скорости скольжения равной 1 м/с.

Уменьшение коэффициента трения наблюдается при изменение давления от 0,1 МПа до 1,0 МПа, при дальнейшем увеличении давления коэффициент трения уменьшается незначительно.

При изменение влажности смесей значение коэффициента трения изменяется при различном давлении в зависимости от температуры следующим образом. На рисунке 7 представлена зависимость коэффициента трения от влажности исследуемого материала при давление 0,1 МПа, скорости скольжения равной V=1 м/с, температуре T=293 0K и T=323 0K.

Такой же характер изменения коэффициента трения от влажности материала наблюдается при давление равном 0,4 и 1,0МПа.

Сравнивая графики на рисунке 7 можно сделать следующие выводы: с повышением температуры зерна с 293 0К до 323 0К коэффициент трения уменьшается в пределах от 0,02 до 0,1. значение влажности исследуемого материала, с которого начинает уменьшаться коэффициент трения, изменяется с 15 до 25% при (Р=0,1 МПа Р=0,4 МПа) а при Р=1,0 МПа с 10 до 20%.

Т=293К

Т=323К

Рисунок 7 Зависимость коэффициента трения от влажности исследуемого материала при давление 0,1 МПа, скорости скольжения равной V=1 м/с и температуре Т=293К и 323К

На рисунок 8 представлена зависимость изменения коэффициента трения от скорости скольжения при различном давление. Анализируя данную зависимость можно сделать вывод что с увеличением скорости скольжения от 1 м/с до 6 м/с коэффициент трения уменьшается незначительно.



В процессе работы пресс-экструдера при установившемся режиме были произведены замеры давления и температуры смеси в цилиндре при различных вариантах открытия выходного отверстия. Давление и температура смеси возрастает с увеличением сопротивления в головке пресс-экструдера за счет уменьшения площади выходного отверстия.

Средние результаты измерений давления и температуры смеси в процессе экструзии представлены на рисунке 9.

Полученные экспериментальные данные распределения давления и температуры в цилиндре пресс-экструдера по длине шнека качественно согласуются с теоретическими.

В результате проведения многофакторного эксперимента установлено что, основными факторами, влияющими, на качество экструдата являются, количество соломы в смеси, влажность смеси и средней длине резки соломы. На основании результатов многофакторного планирования выявлено, что наиболее качественный продукт получается при количестве соломы в смеси в пределах М=70…74%; влажности смеси W=27,5…30% и средняя длина резки соломы Z=10…30 мм.



Рисунок 9. Распределение давления и температуры в пресс-экструдере по длине шнека

Производительность зоны питания пресс-экструдера определялась на лабораторной установке, позволяющей изменять частоту вращения рабочего органа в пределах от 4,17 до 6,67 с-1 состоящей из привода, корпуса, рабочего органа (упругого шнека), вала, загрузочной воронки. Равномерность подачи обеспечивалась созданием над загрузочным отверстием постоянного слоя смеси. Измерение производительности производилось на установившемся режиме с трехкратной повторностью.

Испытания проводились на кормовой смеси состоящей из ячменной соломы и концетратов влажностью 30%.

Опыты показали, что производительность спирального шнека в зоне питания возрастает с увеличением частоты вращения спирального шнека до определенного предела.

Как следует из графика рисунок 10, производительность спирального шнека в зоне питания с шагом 50 мм при увеличение частоты вращения шнека до 6,67 с-1линейно возрастает. Производительность спирального шнека с шагом 65 и 70 мм возрастает при увеличение частоты вращения шнека до 5,0 с-1. Затем производительность не изменяется, несмотря на повышение частоты вращения спирального шнека. Это объясняется действием центробежных сил которые отбрасывают частицы материала навстречу поступающему потоку из бункера, а также максимально возможной скорости этого потока.

Частота вращения, соответствующая максимальной производительности, зависит от физико-механических свойств экструдируемого материала, и конструктивных параметров спирального шнека.

Для выявления шага спирального шнека на производительность использовали спиральные шнеки диаметром 110 мм, с шагом шнека 50, 65 и 70 мм.

Все шнеки работали в одном корпусе, т.е. во всех опытах коэффициент трения материала о корпус и винтовую поверхность шнека были одинаковы.

На основании проведенного эксперимента можно считать, что наиболее рациональным является шаг спирали шнека, равный 65 мм.

В пятой главе «Производственные испытания пресс-экструдера для приготовления кормовой массы из измельченной соломы и экономическая эффективность результатов исследований» производственные испытания пресс-экструдера для приготовления кормовой массы из измельченной соломы проводились на базе кормоцеха СПК имени Калинина и СПК имени Чапаева Исаклинского района Самарской области.



Рисунок 10 Зависимость производительности от частоты вращения шнека

В результате испытаний данного пресс-экструдера установлено, что он по качественным показателям работы отвечает предъявляемым зоотехническим требованиям.

Во время испытаний модернизированного пресс-экструдера КМЗ-2У использовалась кормовая смесь влажность 30%, состоящая из измельченной ячменной соломы и смеси концентратов процентный состав 70%, 30%.

Производственными испытаниями подтверждена эффективность предложенного пресс-экструдера, производительность которого при переработке смеси на основе измельченной соломы составляет 0,350 т/ч, а потребляемая мощность - до 35 кВт, при этом удельные энергозатраты экспериментального пресс-экструдера составляют 100 кВт·ч/т. При этом модернизированный пресс-экструдер КМЗ-2У обеспечивает приготовление качественного корма. процесс экструзии протекает устойчиво, без значительных колебаний температуры и загрузки электропривода. Полученные экспериментальные результаты подтверждают теоретические исследования.

Проведенные испытания показали возможность использования модернизированного пресс-экструдера КМЗ-2У дя экструдирования кормовой смеси на основе соломы и подтвердили результаты экспериментальных и теоретических исследований по определению оптимальных конструктивно-режимных параметров пресс-экструдера.

Результаты расчета экономической эффективности отражены в общих выводах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы

1. На основе анализа способов подготовки грубых кормов к скармливанию установлено, что наиболее перспективным направлением для подготовки грубых кормов к скармливанию является способ экструдирования повышающий количество сахаров в корме. обоснована и разработана конструктивно-технологическая схема пресс-экструдера для приготовления корма на основе измельченной соломы (патент № 2225144).

2. Теоретические исследования позволили получить аналитические выражения (5; 10; 24; 25; 29), позволяющие установить зависимость конструктивно-режимных параметров от физико-механических свойств перерабатываемого материала.

3. Экспериментальные исследования позволили установить:

- основные физико-механические свойства перерабатываемой смеси и их зависимость от основных параметров технологического процесса экструзии (Р, Т, х);

- предложенная конструкция зоны питания пресс-экструдера обеспечивает устойчивый процесс продвижения массы в зоне питания при угле наклона винтовой линии 4,50; шаге шнека 65 мм, длине рабочей зоны питания 270 мм.

- при заданных значениях конструктивно-технологических параметров обеспечивается производительность пресс-экструдера 350 кг/ч.

4. установлено что, основными факторами, влияющими на качество экструдата являются количество и средняя длина резки соломы в смеси, влажность смеси. На основании результатов многофакторного планирования выявлено что наиболее качественный продукт получается при количестве соломы в смеси в пределах М=70…74%; влажности смеси W=27,5…30% средней длине резки Z=10…30 мм.

5. Производственными испытаниями подтверждена эффективность предложенного пресс-экструдера, производительность, которого при переработке смеси на основе соломы, составляет 0,350 т/ч, а потребляемая мощность - до 35 кВт, при этом удельные энергозатраты экспериментального пресс-экструдера составляют 100 кВт·ч/т. Полученные экспериментальные результаты подтверждают теоретические исследования. Технико-экономические расчеты показали, что годовой экономический эффект при нормативной загрузке пресс-экструдера 1260 ч составил 11558,6 рублей, а срок его окупаемости 0,17 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ в том числе 11 в сборниках научных трудов, 1 патент, 1 в журнале который входит в перечень поименованный ВАК РФ. Общий объём публикаций составляет 2,73 п.л., из них на долю автора приходится 1,76 п.л.

1. Искрин, В.В. Аммонизация растительных кормов. (Современное состояние и перспективы). [текст] / В.В. Искрин, В.А. Милюткин, С.С. Петрова, С.В. Денисов //Энергосбережение в механизации сельского хозяйства. //Сборник научных трудов СГСХА. - Самара. - 2000. - с. 62…64. (0,19/0,08 п.л.)

2. Денисов, С.В. Установка для приготовления кормосмеси методом экструзии. [текст] / С.В. Денисов, В.В. Новиков // Актуальные агроинженерные проблемы АПК: Сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. - Самара. - 2001. - с. 171…172. (0,13/0,07 п.л.)

3. Денисов, С.В. Эффективность подготовки грубых кормов к скармливанию. [текст] / С.В. Денисов // Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов АПК: Сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. - Самара. - 2002. - с. 281…283. (0,19 п.л.)

4. Денисов, С.В. Экструдер для приготовления кормовой массы из измельченной соломы. [текст] / С.В. Денисов, В.В. Новиков // Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов АПК: Сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. - Самара. - 2002. - с. 283…285. (0,19/0,09 п.л.)

5. Денисов, С.В. Классификация и анализ шнековых прессующих механизмов. [текст] / С.В. Денисов // Материалы 47 - ой научно - технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. - Пенза: рио пгсха - 2002. с. - 55-57. (0,19 п.л.)

6. Денисов, С.В. Приготовление корма из соломы. [текст] / С.В. Денисов // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции. // Сборник материалов научно - практической конференции посвященной 50 - летию инженерного факультета. - Пенза: рио пгсха - 2002. - с. 224…226. (0,19 п.л.)

7. Новиков, В.В. К вопросу обоснования длины шнека пресс-экструдера. [текст] / В.В. Новиков, С.В. Денисов // Проблемы использования техники в животноводстве. Сборник трудов. Научно-практического совещания - семинара. Выпуск 4 Том 1. ГНУ ВИИТиН - г. Тамбов. - 2003. - с. 14…16. (0,19/0,09 п.л.)

8. Денисов, С.В. Исследование технологического процесса экструзии смеси на основе соломы. [текст] / С.В. Денисов // Современные технологии средств механизации и техническое обслуживание в АПК: Сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. - Самара. 2003. -с. 64…65. (0,19 п.л.)

9. Новиков, В.В. Математическое обоснование выходной зоны пресс-экструдера. [текст] / В.В. Новиков, С.В. Денисов, Я.М. Бекетов // Актуальные инженерные проблемы АПК в ХХI веке: сборник научных трудов инженерной секции Международной научно - практической конференции посвященной 85 - летию СГСХА. - Самара. 2004. - с. 309…311. (0,19/0,07 п.л.)

10. Денисов, С.В. Методика и экспериментальные данные определения давления и температуры экструдируемой смеси в цилиндре пресс-экструдера КМЗ-2У. [текст] / С.В. Денисов, Новиков В.В. // Актуальные проблемы

сельскохозяйственной науки и образования: Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции. - Вып. III. - Самара, 2005. - с. 251…256. (0,38/0,2 п.л.)

11. Денисов, С.В. Определение комплексного показателя качества экструдируемого корма. [текст] / С.В. Денисов, Е.В. Янзина, И.В. Успенская // Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и образования: Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции. - Вып. III. - Самара, 2005.- с. 256…257. (0,13/0,08 п.л.)

12. Патент № 2225144 Российской Федерации. Экструдер для приготовления кормовой массы из измельченной соломы [Текст] / Денисов С.В., Новиков В.В., Фролов Н.В., Ларионов Ю.В. № 2001124536/13; заяв. 03.09.2001; опубл 10.03.2004, Бюл. № 7. - 6 с.: ил.

13. Денисов С.В. «Способ приготовления корма на основе измельченной соломы» [текст]/ С.В. Денисов, В.В. Новиков// Сельский механизатор. - 2006. № 8. - С. 32 (0,1/0,07 п.л.)

Размещено на Allbest.ru

...