CC BY
44
/\
V_У
Рис. 5 - Подсистема контроля
М =28233,37 к — 7,186765(Е-02)ф—
—3,357468(Е-02)р„ - 1,736908 Ж-5,265113Ж-—5,588221(Е-05) О + 69,81744К+ + 7,479701у + 0,1926816? — 1226092Г2+ + 2,094389(Е-04)ф2+4,741984(Е-12)0 2р„+
+145,6274 Грк Ш — 4,579373(Е-08)?3—39,24084.
При принятом уровне значимости а = 0,01, критерий Фишера F= 1,94, уравнение значимо.
По полученным результатам сделали вывод, что модель адекватно описывает процесс смешивания в смесителях [3].
Оценка технико-экономической эффективности проводится по каждой подсистеме приготовления кормосмеси, поэтому процедура технико-экономического исследования процесса смесеприготовления осуществляется от целого к частному.
Эффективность научно-технических основ разработанного процесса можно представить, с одной стороны, связью эксперимента с зоотехническими возможностями, т.е. рассмотреть, как
влияет увеличение однородности смеси на прирост животноводческой продукции, с другой стороны, возможностью снижения энергоёмкости процесса за счёт использования новых технических разработок [5].
Вывод. На основании расчёта технико-экономических показателей подтверждена целесообразность использования новых технических решений, так как наблюдается рост производительности, качества готового продукта при одновременном снижении энергоёмкости процесса и продолжительности цикла смешивания.
Литература
1. Пискарёва Т.И. Научные основы процесса смешивания // Достижения учёных 21 века: сб. статей V Междунар. науч.-практич. конф. Тамбов, 2010. С. 78—79.
2. Межуева Л.В. Механико-технологическое обоснование процесса смесеприготовления / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарева // Научно-технический прогресс в животноводстве — стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции на период до 2020 г.: сб. научных трудов XII Междунар. науч.-практич. конф. ГНУ ВНИИМЖ Подольск, 2009. С. 74—80.
3. Пискарёва Т.И. Влияние физико-механических и конструктивно-технологических параметров на процесс смешивания в шнеково-лопастных смесителях: учеб. пособие. Оренбург: ОГУ, 2013. 86 с.
4. Вариативная модель процесса приготовления смесей / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, В.В. Гунько, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарёва // Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 5. С. 15—17.
5. Межуева Л.В. Влияние технологического подхода на качество процесса смесеприготовления / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, А.В. Быков, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарёва, Л.А. Быкова // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации: сб. статей Междунар. науч. конф. Оренбург, 2010. С. 281—286.
Экспериментальные исследования процесса экструдирования зернового материала
В.Г. Кушнир, д.т.н., профессор, Н.В. Гаврилов, к.т.н., А.С. Кушнир, соискатель, Костанайский ГУ
Программа исследования предусматривала проведение экспериментов по идентификации (определению неизвестных пользователю внешних величин) и по верификации математической модели, которые были реализованы на специально разработанном экспериментальном стенде, оснащённом измерительной аппаратурой.
Материал и методы исследования. Основное назначение физических экспериментов в настоящем исследовании заключается в получении экспериментальных данных, позволяющих судить о точности математической модели. Для того чтобы наиболее обоснованно можно было судить о верификации математической модели по обоснованию качества экструдированного зернового материала, эксперименты проводили при изменении параметров фильеры, при различной влажности материала.
Исследование проведено на лабораторной базе кафедры машин, тракторов и автомобилей Коста-найского государственного университета.
В качестве опорного объекта для параметрического синтеза шнекового прессующего механизма был взят малогабаритный пресс-экструдер ПЭ-20, выпускаемый ТОО «Агротехсервис-12», предназначенный для прессования материалов растительного происхождения и получения вспученных экструдатов.
Пресс имеет сменный шнек, на конце которого укреплена насадка типа «торпедо» с четырьмя продольными канавками прямоугольного сечения, выполняющая функции компрессионного затвора. Привод шнека осуществляется через клиноременную передачу от асинхронного электродвигателя. Изменение скорости вращения шнека осуществляется сменой шкивов клино-ременной передачи. Головка пресса позволяет устанавливать матрицы различной конструкции. Внешний вид лабораторного стенда показан на рисунке 1.
Принцип работы представленной установки следующий: электродвигатель, установленный в станине 1, посредством ременной передачи приводит во вращение быстроходный шнек,
Рис. 1 - Общий вид экспериментальной установки
расположенный в цилиндрическом корпусе 4. Через эксцентрик приводится в действие дозирующее устройство 2. На корпусе 4 зафиксирована формующая головка 5. Подача материала осуществляется через питающую воронку 3, соединённую непосредственно со шнековым корпусом, расположенным на станине 1. Управление работой экструдера осуществляется через блок питания 6 [1].
Запуск и остановка пресса осуществляется с помощью пульта управления 6. Для регистрации показаний датчиков использован компьютер, получающий сигналы от АЦП LC-212F. Угловая скорость шнека измеряется тахометром. Параметры электрооборудования измеряют амперметром 10 и ваттметром 11 марки Д 539 (ГОСТ 8476-93) с нагрузочным трансформатором УТТ- 5М (ГОСТ 51974-93). Контроль температуры вёлся в зоне формующей головки цифровым мини-мультиметром М838, имеющим термопару типа «К». Взвешивание исходных компонентов и анализируемых образцов производилось на лабораторных рычажных весах (ГОСТ 19491-94). Время отбора проб фиксировалось механическим секундомером (ГОСТ 5072-72) [2].
Модуль АЦП LC-212F предназначен для электротензометрии. Он работает с мостовыми и полумостовыми схемами соединения тензодат-чиков с сопротивлением от 100 до 1000 Ом при проведении статических и динамических измерений.
Модуль LC-212F работает совместно с персональным компьютером, подсоединение модуля осуществляется через LPT-порт.
АЦП имеют по два дифференциальных сигнальных входа +ЛШ1 и +ЛШ2, дифференциальный вход опорного напряжения ±REF, а также два внутренних цифровых фильтра. Диапазоны входных сигналов АЦП: ±10шУ, ±20шУ, ±40шУ, ±80шУ, +10шУ, +20шУ, +40шУ, +80шУ.
АЦП имеют встроенные функции калибровки нуля и диапазона, которые выполняются на цифровом уровне. Параметры калибровки сохраняются в памяти модуля до следующей процедуры.
Модуль имеет функцию проверки входных цепей каждого канала на обрыв и короткое замыкание. При запуске этой функции на входы каждого канала подключаются источники постоянного тока величиной 100 А и затем проводится измерение входного сигнала. При выходном коде, равном нулю, фиксируется короткое замыкание, при максимальном коде — обрыв.
Выходные сигналы тензодатчиков подаются непосредственно на входы АЦП. Опорное напряжение АЦП является напряжением питания датчиков [3].
Модуль LC-212F имеет три режима работы.
Режим 1 (стато динамика). Четырёхканальный режим, предназначенный для проведения измерений с максимальной частотой сбора данных и не имеющий высоких требований по напряжению смещения нуля. В данном режиме измерительные мосты питаются постоянным напряжением.
Режим 2 (статика). Четырёхканальный режим, предназначенный для проведения статических измерений с максимальной точностью. Обеспечивает низкий уровень смещения нуля и его температурного дрейфа за счёт переключения АЦП в режим измерений на переменном токе. В режиме 2 возможно питание мостов как постоянным, так и переменным напряжением.
Режим 3 (статика). Является модификацией режима 2 и предназначен для удвоения числа каналов. В данном режиме процесс для каждого канала является прерывистым и данные считыва-ются с периодом в 0,35 с [4].
В ряде экспериментов контроль температуры осуществлялся непосредственным контактом экс-трудируемого продукта на выходе из фильеры и ртутным термометром (ГОСТ 215-73), что не позволяет получать точные значения температуры, так как замер происходит через некоторое время после выхода продукта из матрицы. Время тратилось на извлечение небольшого количества экструдата и нагревание ртути в столбике термометра [5].
Более точным методом измерения температуры является применение цифрового мини-мультиметра, имеющего термопару и способного измерять температуру в широких пределах, обладающего достаточной точностью и скоростью замера. Значение температуры считывается с дисплея цифрового мини-мультиметра М838 (термопара типа «К») в °С, с точностью ±1°С.
Замер происходит непосредственным контактом термопары экструдируемого материала при выходе из матрицы [5].
Для проведения экспериментов были изготовлены две фильеры (рис. 2) с параметрами, соответствующими ранее полученной патентной разработке (предварительный патент № 16535, 15.12.2005, бюллетень № 127 с., МПК А 23 N 17/00), и фильеры традиционной формой, с тремя зонами (рис. 3) [1].
Одна из конструкций фильер имела базовые геометрические параметры (схема А), представленные тремя зонами пластификации материала. Вторая фильера изготовлена с четырьмя зонами (схема Б).
Рис. 2 - Общий вид фильер
А
4 ж: к
¡-л ./-
Б
Рис. 3 - Схемы фильер:
А - традиционная схема; Б - по патенту № 16535
В программу экспериментальных исследований включено исследование влияния количества зон фильеры на качество экструдирования зернового материала.
Эксперименты проведены на зерновом материале (пшеница, овёс, ячмень). Использованы три базовые влажности зернового материала — 15, 20 и 25%, которую контролировали определением по ГОСТу 14849-99. Для каждой влажности проведены испытания на двух конструкциях фильер, которые представлены на фотографии (рис. 2).
Производительность экструдера определяли следующим образом: за определённые промежутки времени были взяты образцы готового продукта, которые взвешивали на технических весах, находили массу образца за одну секунду экструди-рования, а затем вычисляли часовую производительность [6].
Мощность сил полезного сопротивления определяли по формуле:
N = (- Ыхх )цобщ,
(1)
где N — мощность сил полезного сопротивления; — мощность, которую показывает ваттметр; NXX — мощность холостого хода двигателя
= 1,32 кВт); цобщ — общее кпд, включающее кпд ременной передачи, редуктора и подшипниковой опоры шнека (ЦобЩ * 0,846) [4].
Обработку результатов тензометрирования [6] осевого усилия проводили следующим образом.
Сила, действующая на матрицу, связана с нормальным напряжением в материале перед матрицей зависимостью:
пПа
Я = о, с
4
(2)
где Бс — внутренний диаметр корпуса шнека.
Нормальное напряжение в материале перед матрицей стм можно определить из первых уравнений 4Р
систем о1 =-- окончательно получим:
Я =
Р
/ \1/ т0
+1
(3)
Все показания снимали после выхода экструдера на установившийся температурный режим.
Проверка адекватности математической модели проведена по трём параметрам эффекта: производительности прессующего механизма, мощности, затрат на процесс экструдирования N.
Результаты исследования. Результаты представлены по кормосмеси в составе 30% отрубей, 30% ячменя, с добавкой зерна пшеницы влажностью 12%.
Рис. 4 - Зависимость <3=/(ю) при влажности материала Ш =15%:
■ - экспериментальные данные для конструкции Б; • - экспериментальные данные для конструкции А
Рис. 5 - Зависимость <=/(со) при влажности материала IV =20%:
■ - экспериментальные данные для конструкции Б; • - экспериментальные данные для конструкции А
Рис. 6 - Зависимость <=/(ю) при влажности материала Ш =25%:
■ - экспериментальные данные для конструкции Б; • - экспериментальные данные для конструкции А
Рис. 7 - Зависимость затрат мощности от состава зернового материала (с учётом добавки сухого зерна влажностью 12%) N=/(/): 1 - влажность кормосмеси 15%; 2 - влажность кормосмеси 20%; 3 - влажность кормосмеси 25%
На рисунках 4—7 построены диаграммы зависимостей этих параметров эффекта от угловой скорости при относительной влажности прессуемого материала 15, 20, 25%. Диаграммы на этих рисунках построены по расчётным данным.
Вывод. Анализируя полученные значения по графикам (рис. 4—7), можно сделать вывод, что более эффективна фильера с четырьмя зонами приёма и выхода экструдата. При её применении более высокая производительность экструдера и меньшие затраты мощности.
Литература
1. Устройство для экструдирования кормов / Н.В. Гаврилов (предварительный патент KZ, № 16535, 15.12.2005; бюл. № 12. 7 с.
2. Завражнов А.И., Николаев Д.М. Механизация приготовления и хранения кормов. М.: ВО Агропромиздат, 1990. 303 с.
3. Экспертиза кормов и кормовых добавок: пособие / К.Я. Мо-товилов [и др.]. Новосибирск: Сибунивериздат, 2004. 240 с.
4. Van Zuilichem D.j., Stolp W. Survey of the present extrusion cooking techniquers in the tood and cofectionary indudtry. Proc. Europ. Conf.: Extrusion Technology for the Food Industry. Dublin, Rep. Ireland: 9-10 Dec. 1986, pp. 1-15.
5. Спандиаров Е. Разработка и совершенствование процессов и оборудования производства комбикормов: дисс. ... докт. техн. наук. М.: МГАПП, 1994. 339 с.
6. Груздев И.Э., Мирзоев Р.Г., Янков В.И. Теория шнековых устройств. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. 144 с.
