Экспериментальное обоснование рациональных параметров модернизированного экструдера КМЗ-2,0у Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

4. Наумкин, Н. И. Сборник задач по тео- 5. Наумкин, Н. И. Синтез механизмов с

рии механизмов и машин / Н. И. Наумкин. - высшими кинематическими парами / Н. И. На-

Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. - 296 с. умкин, М. Н. Чаткин. - Саранск: Изд-во

Мордов. ун-та, 2001. - 71 с.

УДК 631.363

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ЭКСТРУДЕРА КМЗ-2,0У

В. В. Новиков, канд. техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА», [email protected];

В. В. Коновалов, доктор техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», [email protected];

Л. В. Иноземцева, канд. техн. наук, доцент ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»;

Д. В. Беляев, инженер ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА»

Дано описание модернизированного экструдера КМЗ-2,0У. Экспериментально выявлено влияние подачи экструдера и давления материала на создаваемую температуру, а также мощности привода, производительности и энергоемкости экструзии в зависимости от площади отверстия фильеры, обоснована рациональная площадь отверстия фильеры. Даны результаты сравнительных исследований базового и модернизированного экструдера.

Ключевые слова: модернизированный экструдер КМЗ-2,0У; площадь фильеры, температура и давление экструзии, энергоемкость, питательность корма.

Для повышения питательной ценности зерна (улучшения качества белка, разрушения крахмала до легкоусвояемых форм, обезвреживания вредных веществ) его поджаривают, варят, обрабатывают паром, флокируют, экструдируют и т. д. [1, 2]. В связи с этим прогрессивными технологическими процессами в комбикормовом производстве является экструзия комбикормов и их компонентов, обеспечивающее высокую сохранность кормов и повышенную продуктивность животных [3].

Конструктивно-технологическая схема модернизированного экструдера КМЗ-2У представлена на рис. 1. Конструкция экструдера включает шнековый дозатор 14 и пресс, состоящий из корпуса 11, вала 2 и секций шнека 7. Между секциями шнека 7 установлены изнашиваемые кольца 9 с греющими шайбами 10. На выходе из пресса расположена коническая головка 6 и ее кожух 5. Выход закрывает матрица, снаружи которой размещен регулировочный диск 4 с рукояткой. Внутри матрицы и регулировочного диска имеются бобообразные или кольцевые отверстия (фильеры).

Работает экструдер следующим образом. При подаче шнеком дозатора 14 зерна пленчатых культур, оно (зерно) по загруз-

ному каналу 13 поступает в приемную камеру питателя пресса. Ранее имевшийся шнек приемной камеры удален, вместо него расположен пружинный безвальный шнек 1, а в конце камеры установлен направляющий конус 12. Увеличение высоты канала приемной камеры позволяет повысить количество засыпаемого в нее корма, что увеличивает производительность питателя и, соответственно, пресса. Учитывая низкую плотность вороха и угрозу сводооб-разования в малых пространствах, например, у нешелушеного овса, это положительно скажется на производительности пресса-экструдера и снижении энергоемкости получения экструдата.

Корм захватывается шнеком 1 и подается к конусу 12. Наличие конических направляющих у канала позволяет облегчить проход материала сквозь окно между изнашиваемыми кольцами и греющими шайбами. В случае избытка поступаемого материала безвальный шнек 1 сжимается, уменьшая шаг. Это увеличивает осевое давление, способствуя нагреву корма. В результате снижается вязкость массы, улучшая проход материала в зону прессования. В зоне прессования материал сжимается до необходимого давления, повы-

48 Технические науки

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема пресс-экструдера для обработки зерна пленчатых культур:

исходный продукт----►; пластифицированная масса — ►;

гомогенизированная масса — ►; готовый продукт - •►;

1 - подпрессовывающий пружинный шнек; 2 - вал шнекового пресса; 3 - термопара; 4 - матрица с регулировочным диском и рукояткой; 5 - корпус головки; 6 - коническая головка; 7 - шнек пресса; 8 - кормовой канал; 9 - изнашиваемое компрессионное кольцо; 10 - греющая шайба; 11 - корпус пресса; 12 - направляющий конус; 13 - загрузная горловина; 14 - шнек дозатора

шая свою температуру от сжатия и трения о стенки канала 8. В результате частицы (зёрна) раздавливаются, происходит разрушение их внутренней структуры с образованием сплошного материала. Дальнейший технологический процесс протекает без изменений по сравнению с базовым вариантом экструдера.

В результате проведенных лабораторных исследований определены рациональные параметры рабочего органа в зоне приемной камеры питателя: толщина ленты витка пружины 1,8...2,7 мм и угол при основании конуса 37.40°. В процессе исследования влияния подачи материала на температуру экструдата Т (°С) было выявлено совместное влияние создаваемого давления Р (МПа) и производительности (подачи корма дозатором) О (кг/ч) для сои, пшеницы и кукурузы:

Т5=39,90114+11,34354-Р+0,08287-О; Гр=54,54653+5,188151 -Р+0,081936-О; (1)

Г^=56,85256+7,524693-Р+0,05276-О.

Прогрев продукта обеспечивается до температуры порядка 122°С, что вполне достаточно для экструдирования. Наиболее жесткий режим наблюдается у пшеницы (при 0=450 кг/ч и Р=1,0 МПа темпера-

тура для сои - 88°С, пшеницы - 95°С, кукурузы - 87°С). Для достижения максимальной температуры (около 120°С) требуются соответственно подача и давление: 600 кг/ч и Р=3,0 МПа; 550 кг/ч и Р=4,0 МПа; 600 кг/ч и Р=4,5 МПа. Наиболее эффективное воздействие на температуру возможно за счет роста подачи материала [4]. Это не только повышает прогрев, но и положительно сказывается на производительности установки.

Используя полученные данные в процессе исследований базового экструдера КМЗ-2,0У и его модернизированного образца, составили статистические выражения, описывающие энергоемкость процесса в зависимости от площади отверстия фильеры Г (мм2) с учетом подачи корма дозатором О (кг/ч), температуры экструдата Т (°С) и потребляемой мощности пресса N (кВт).

Энергоемкость экструзии (базовый / модернизированный пресс):

Соя У$ь=86,30793+0,064622*Р+14313,47/Р; (2)

Уэт=51,61748+0,100199*Р+ 14348,13^.

Пше- УРь=149,6855+0,090228*Р+17490,07/Р; (3)

ница Урт=136,7705+0,106422*Р+17143,01/Р.

Ку- У^ь=120,2866-0,00828*+1751 9,64/Р; (4)

куру Укт= 1 01,8027+0,006203*Р+ 17538,1/Р.

за

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 49

П роизводительность (подача) устройства

Соя 05ь=573,798-0,12018-Г-572,726/Г; (5)

ОЗт=618,2229-О,15782 Г-617,О35/Г.

Пше- ница ОРь=561,4154-0,08066Г-560,317/Г; (6)

ОРт=561,4154-О,О8О66• ^560,317^.

Ку- куру Окь=618,2229-О,15782• Г-б^ОЗб/Г; (7)

Окт=662,6479-О,19546• Г-661 ,345/Г.

за Мощность

Соя №ь=33,92221-0,01079• Г+6,089349/Г; (8)

№т=31,11961-О,ОО78 • Г+8,891955/Г.

Пше- ница Мрь=47,77401-0,01061 • Г+1,246766/Г; (9)

Мрт=45,45178-0,00806• Г+2,57О715/Г.

Ку- куру Мь=46,67123-0,02644• Г+2,381927/Г; (10)

Ыкт=Л6,92918-0,02683• Г+2,127418/Г.

за

Графический анализ полученных результатов (рис. 2) показывает, что наибольшая производительность экструдера наблюдается при площади выгрузного отверстия фильеры около 100 мм . В то же время наименьшая энергоемкость соответствует площади отверстия фильеры порядка 200. 400 мм2.

Для сои и пшеницы при отверстии фильеры 300 мм2 энергоемкость составляет соответственно 125 и 225 Дж/кг, а для кукурузы - 170 Дж/кг. Для кукурузы дальнейшее увеличение отверстия фильеры незначительно снижает энергоемкость - до 120 Дж/кг.

Тем самым наиболее эффективна пло-

щадь отверстия фильеры 100.300 мм .

Анализ результатов обработки исходного зерна сои, пшеницы и кукурузы на базовом и модернизированном экструдерах в производственных условиях показал, что предлагаемая модернизация экструдера КМЗ-2,0У весьма целесообразна (рис. 3, 4).

Содержание сырой клетчатки (рис. 3. а) при экструдировании сои на базовом и модернизированном экструдере снижается соответственно на 5 и 7 % (от 5,93 до 5,60 и 5,51 %), пшеницы - на 19,5 и 38,4 % (от 3,59 до 2,89 и 2,21 %), кукурузы - на 4,5 и

13.6 % (от 2,20 до 2,19 и 1,90 %), нешелу-шеного овса - на 6,7 % (от 10,83 до 10,1 %), нешелушеного ячменя - на 0,9 % (от 8,91 до 8,83 %), т. е. снижается в среднем на 2.4 %.

Содержание крахмала (рис. 3. б) при экструзии пшеницы на базовом и модернизированном экструдере уменьшается соответственно на 11,4 и 13,4 % (от 565,6 до 501,0 и 489,6г/кг), кукурузы - на 4,3 и 4,4 % (от 574,7 до 550,1 и 549,2г/кг), нешелуше-ного овса - на 4,5 и 4,6 % (от 396,5 до

378.6 и 378,1 г/кг), для нешелушеного ячменя - на 16,9 и 17,1 % (от 489,61 до 406,6 и 405,9 г/кг), т. е. уменьшение до 2 %.

б

N5

Ь;

^ ш1 ^ Ь; № ш; № ь.

Рис. 2. Влияние площади отверстия фильеры Г (мм2) на параметры работы экструдера: а - энергоемкость процесса У, (кДж/кг); б - подача корма в пресс О (кг/ч); в - потребляемая экструдером мощность N (кВт);

э - соя; р - пшеница; к - кукуруза; Ь, т - базовый и модернизированный экструдер

К

К

а

N5

ш

К

в

50 Технические науки

Сырая клетчатка

ИСоЯИСХ опшисх «Кукисх иОвисх □ Ячмисх

■Сояб.э □ Пшб.э иКукбэ Ювб.э ИЯчмб.э

□Сеж м.? шПшм.э □ Кук м.э сЮвм.э пЯчмм.э

а

700

Крахмал

□Сояисх □Пшисх ■ Кукисх

■Сояб.э аПшб.э ИКукбэ

□Соя м.э шПшм.э □ Кук м.э

б

■ Ов 1‘сх ЗЯчиисх

■ Овб.э ОЯчибэ □Овм.э аЯчим.э

Рис. 3. Влияние экструдируемого материала и способа его обработки (исходное сырье /исх/, обработанное базовым /б. э/ и модернизированным /м. э/ экструдером) на качественные показатели корма: а - содержание сырой клетчатки в корме (%); б - содержание крахмала (г/кг)

25 20 15 10 5 0

Сахара

□Сояисх апшисх иКукисх «Овисх пЯчмисх ■Сояб.э оПшб.э иКукбэ ■ Овб.э ИЯчмб.э □Соям.э шПшм.э оКукм.э сОямя □ Ячим.э

Рис. 4. Влияние материала и способа его обработки базовым /б. э/ и модернизированным /м. э/ экструдером ) на содержание сахаров (г/кг)

Содержание сахаров (рис. 4) при экструзии сои на базовом и модернизирован-

ном экструдере повышается соответственно на 4,8 и 5,7 % (от 4,37 до 4,58 и 4,62 г/кг), пшеницы - на 8,0 и 7,5 % (от 17,96 до 19,4 и 19,3 г/кг), для кукурузы - на 4,1 и 6,2 % (от 19,3 до 20,1 и 20,5 г/кг), нешелу-шеного овса - на 8,4 и 8,8 % (от 15,27 до 16,56 и 16,61 г/кг), нешелушеного ячменя -на 7,3 и 7,9 % (от 17,1 до 18,3 и 18,4 г/кг), т. е. увеличивается до 2 %. На малом приросте сахаров у пшеницы сказался уровень температуры при обработке (была несколько меньше, см. рис. 5).

ЗОО

250

2ОО

150

100

50

Т У Ст.дес.

■ Соя б э оПшб э иКукб.э ИОвб.э ИЯчмб.Э □Соя м.э ИПши.э оКукм э □Овм.э пЯчмм.э

Рис. 5. Влияние материала и способа его обработки базовым /б.э/ и модернизированным /м. э/ экструдером ) на параметры процесса и показатели корма: Т - температура процесса (С); У - энергоемкость процесса (кДж/кг); Ст. дес. - степень декстринизации крахмала (%)

Таким образом, предлагаемая модернизация экструдера КМЗ-2,0У является целесообразной, так как позволяет до 2 % повысить содержание сахаров в корме и до 3 % снизить энергоемкость обработки зерна.

Литература

1. Щеглов, В. В. Корма. Приготовление, хранение, использование: справочник / В. В. Щеглов, Л. Г. Боярский. - М.: Агро-промиздат, 1990. - 255 с.

2. Коновалов, В. В. Механизация технологических процессов животноводства / В. В. Коновалов, С. И. Щербаков, В. Ф. Дмитриев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - 275 с.

3. Стратегия машинно-технического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 г. - М: Россельхозакадемия, 2003 - 50 с.

4. Новиков, В. В. Обоснование потребной подачи дозатора пресс-экструдера / В. В. Новиков, В. В. Успенский, Д. В. Беляев // Нива Поволжья. - 2009. - № 2. - С. 58-61.

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 51

О