CC BY
54
УДК 631.363:636
Д.А. ЯКОВЛЕВ, М.С. ДУКАРЕВИЧ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗЕЛЁНОЙ МАССЫ РАПСА
Применительно к процессу механического обезвоживания зелёных растений были проведены экспериментальные исследования физико-механических свойств измельчённой зелёной массы рапса. Полученные результаты рекомендованы для использования в расчётах конструктивно-кинематических параметров прессующего рабочего органа.
Ключевые слова: физико-механические свойства, зелёная масса, рапс, прессование, механическое обезвоживание, технология влажного фракционирования.
Введение. Переработка зелёных растений с применением технологии влажного фракционирования позволяет существенно снизить энергозатраты на сушку. Эффективность механического обезвоживания во многом зависит от того, насколько конструктивно-кинематические параметры прессующего оборудования отображают влияние свойств обезвоживаемого материала на технологический процесс.
Постановка задачи. С целью дальнейшего теоретического описания процесса прессования зелёной массы рапса необходимо определить его физико-механические свойства, влияющие на данный процесс [1, 4]. Содержание и результаты исследований. Для определения физикомеханических свойств зелёной массы рапса были проведены экспериментальные исследования на свежескошенных растениях данной культуры. В экспериментах использовался озимый рапс «Метеор» в фазах бутонизан-ции, цветения, начала молочно-восковой спелости.
Первоначально был проведён анализ свойств, которые способны оказывать влияние на процесс прессования. В табл.1 приведены определяемые физико-механические свойства и их практическая ценность.
Таблица 1
Физико-механические свойства зеленой массы рапса
Параметры Механическое обезвоживание
Объёмная плотность измельчённой массы Расчёт накопительных ёмкостей, расчёт степени сжатия в прессах
Плотность жома Расчёт коэффициента сжатия
Коэффициенты внешнего трения измельчённой массы Расчёт накопительных ёмкостей, расчёт энергоёмкости прессования
Предел прочности при сжатии Расчёт энергоёмкости процесса прессования
Влажность является одним из наиболее важных технологических параметров зелёной массы. От его значения зависят такие показатели, как объёмная плотность, коэффициенты трения, удельный расход энергии на обезвоживание и др. Таким образом, в первую очередь были проведены исследования по определению влажности зелёной массы рапса [2, 3].
Методика проведения опытов по определению влажности основана на ГОСТе 27548-97. Сущность метода заключается в высушивании продукта до постоянной массы при температуре 105±2°С.
При определении влажности использовались 5 проб, весом по 50 г. Пробы были измельчены до фракции 1...5 мм.
Массовую долю влаги X, % в испытуемой пробе вычислили по формуле
х = м 2 - м з 100%
м2 - м '
где М2 - масса тары с пробой до высушивания, г; М3 - масса тары с пробой после высушивания, г; Мг - масса тары, г.
В исследованиях по определению влажности использовались зелёные растения рапса озимого «Метеор» в трёх фазах вегетации: бутонизан-ция, цветение, начало молочно-восковой спелости. Результаты исследований приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты исследований
Фаза вегетации Влажность, %
Бутонизанция 88
Цветение 90,5
Начало молочно-восковой спелости 84
Объёмная плотность корма р 0 зависит от вида, размерной характеристики, влажности и состояния укладки. Поэтому при определении этой характеристики следует указывать влажность, размерные характеристики корма и геометрические размеры мерной ёмкости.
Эксперимент проводился на зелёной массе рапса влажностью 88 %, измельчённой на шнеково-ножевом измельчителе по типу «Волгарь-5», на фракции от 1 до 30 мм. В качестве мерной ёмкости использовался цилиндрический стакан объёмом 0,0008 м3. Взвешивание производилось на весах ВЛКТ-500.
Цель эксперимента - определение зависимости насыпной плотности измельчённой зелёной массы рапса от длины фракции.
Проведение испытания. Мерная ёмкость устанавливается на весы. Порции измельчённой массы насыпают в ёмкость с высоты не более 50.60 см, заполняя их с избытком. Лишний продукт удаляют металлической линейкой. Проводится взвешивание. Опыты проводятся в пяти повторностях. Обработка результатов. Насыпную плотность определяли как отношение массы продукта к объёму мерной ёмкости
т - тёмк
р 0 = ---^, (1)
где т - масса испытываемого материала и мерной ёмкости; V - объём мерной ёмкости.
За результат испытания принимают среднеарифметическое значение результатов пяти параллельных определений.
Полученные результаты были обработаны с помощью программы Curve Expert 1.3. На рис.1 показана зависимость насыпной плотности от гранулометрического состава измельчённой зелёной массы рапса.
Рис.1. Зависимость объёмной плотности от гранулометрического состава измельчённой зелёной массы рапса
Зависимость, изображённая на рис.1, может быть описана следующей формулой:
35,56 + 959,36 • I-1’9
Р = —--------------------------------------------------гг-. (2)
0,1 + 959,36 • I-1,9
Плотность жома является параметром, который позволяет определить степень сжатия прессуемого материала в шнековом рабочем органе. От этого показателя зависят геометрические параметры шнека.
Исследования по определению плотности жома проводились на цилиндрической компрессионной камере, помещённой на гидравлический пресс (рис.2).
Рис. 2. Лабораторная установка: а - схема; б - общий вид:
1 - гидравлический пресс; 2 - манометр; 3 - поршень; 4 - цилиндрическая камера; 5 - ёмкость для сбора сока; 6 - опора; 7 - исследуемый материал
В эксперименте использовалась зелёная масса рапса озимого «Метеор» влажностью 88 %. Измельчённые на фракции 1...5 мм зелёные растения рапса помещались в цилиндрическую камеру диаметром D = 102 мм и подвергались сжатию под давлением гидравлического пресса. После того как истечение сока прекращалось и через отверстия начинало выходить сухое вещество, нарастание давления останавливалось. По положению поршня вычисляли высоту спрессованного слоя h. После чего нагрузка прекращалась, спрессованный материал извлекался и взвешивался.
Плотность жома определяли по формуле
т
Рж =—, (3)
где т - масса жома; V =
4
V
• h - объём, занимаемый спрессованным
жомом.
Исследования проводились в пятикратной повторности, результатом явилось среднеарифметическое значение.
Плотность рапсового жома
кг
Рж = 1404 — .
м
Коэффициент внешнего трения зелёной массы в технологии приготовления кормов позволяет рассчитывать геометрию накопительных ёмкостей и энергозатраты таких процессов, как транспортировка, измельчение и прессование. Определение показателей трения в статических условиях возможно на горизонтальной и наклонной плоскостях (рис.3). Коэффициенты трения на наклонной плоскости определяются из выражения:
I = . (4)
Наклонная плоскость имеет основание 1, с которым она связана подъемным механизмом 2. Для замера угла наклона имеется шкала 3. Поверхности трения сменные.
Рис. 3 . Наклонная плоскость: 1 - основание; 2 - подъёмный механизм;
3 - шкала, показывающая угол наклона; 4 - рамка
Измельчённую зелёную массу рапса (длиной 1...5 мм) закрепляют в специальной рамке 4 и помещают на верхнюю часть плоскости. Плоскость предварительно смачивают небольшим количеством зелёного сока. Плавно и медленно меняют угол подвижной плоскости при помощи подъёмного ме-
ханизма 2. В тот момент, когда испытуемый образец 4 начинает перемещаться, фиксируют угол наклона плоскости к горизонту. Опыт проводится в пяти повторностях для четырех материалов: фанера; сталь оцинкованная; сталь листовая; сталь перфорированная. Результаты испытаний сведены в табл.3.
Таблица 3
Результаты испытаний
Тип поверхности Угол трения, ° Коэффициент трения
Фанера 45,5 1,01
Сталь оцинкованная 39 0,81
Сталь листовая 38,6 0,79
Сталь перфорированная 43,6 0,95
Важное значение для определения параметров пресса имеет давление сжатия, при котором происходит разрушение клеточной структуры и выделяется сок. Этот параметр оценивают двумя величинами: нижний предел - минимальное давление, при котором начинается разрушение клеток сердцевинной паренхимы; верхний предел, при котором большая часть клеток сердцевинной паренхимы разрушена и возник разлом коры.
Эксперименты проводились на гидравлическом прессе, развивающем давление в 10 МПа. При давлениях до 0,5 МПа в исследованиях использовался ручной гидравлический пресс. Стебли зелёной массы рапса влажностью 88% измельчались на фракции по 5 мм. Три измельчённые части поперечно помещались между двумя шлифованными пластинами на расстоянии друг от друга 50 мм. Пластины устанавливались на пресс, и нагнеталось давление в следующей последовательности 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5 МПа. После каждого эксперимента образцы изучались под микроскопом.
В результате получили следующие данные. При давлении 0,2 МПа в стеблях возникает разрушение центральных клеток сердцевинной паренхимы. Разлом коры и практически полное разрушение сердцевинной паренхимы происходят при давлении 4 МПа.
Выводы. Определены физико-механические свойства зелёной массы рапса, которые могут быть использованы при расчётах конструктивно-кинематических параметров прессующих рабочих органов: объёмная плотность; плотность жома; коэффициенты внешнего трения; предел прочности при сжатии. Определён технологический параметр - влажность.
Библиографический список
1. Бурмистрова М.Ф. Физико-механические свойства сельскохозяйственных растений. / М.Ф.Бурмистрова. - М.: Сельхозгиз, 1956.
2. Семиряк В.П. Определение физико-механических свойств измельчённой зелёной массы применительно к процессу влажного фракционирования: научн.-техн. бюл./ЦНИПТИМЭЖ. / В.П.Семиряк, Ю.Ф.Новиков. -Запорожье, 1980. - Вып 13. - С.24-28.
3. Фомин В.И. Влажное фракционирование зелёных кормов. / В.И.-Фомин. - Ростов н/Д: Изд-во Ростовского университета, 1978. - 160 с.
4. Кузнецова Р.Я. Рапс - высокоурожайная культура. / Р.Я. Кузнецова. - Л.: Колос (Ленингр. отд-ние), 1975.
Материал поступил в редакцию 12.06.09.
D.A. YAKOVLEV, M.S. DUKAREVICH
DEFINITION OF PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF GREEN MASS OF THE RAPE
With reference to process of mechanical dehydration of green plants experimental researches of physical-mechanical properties of the crushed green mass of the rape have been made. The received results are recommended for use in calculations of constructive-kinematic parametres of pressing working element.
ЯКОВЛЕВ Дмитрий Анатольевич (р. 1986), ведущий инженер УНИ ДГТУ, магистрант кафедры «Машины и аппараты пищевых производств». Окончил бакалавриат ДГТУ (2007) по специальности «Машины и аппараты пищевых производств».
Область научных интересов: механическое обезвоживание зелёных растений.
Опубликовано 3 научные работы.
ДУКАРЕВИЧ Михаил Семёнович (р. 1960), заведующий лабораториями, соискатель кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ДГТУ. Окончил РИСХМ (1987) по специальности «Сельскохозяйственные машины».
Научная деятельность - исследование измельчения и прессования кормовых культур.
Опубликовано 4 статьи.
yakovlev_d_a@mail. ru
