CC BY
49
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
УДК 004.42; 519.85 Дата подачи статьи: 05.02.15
DOI: 10.15827/0236-235X.111.123-128
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ПРОДУКЦИИ
(Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и правительства Оренбургской области,
грант № 14-08-97031)
Т.М. Зубкова, д.т.н., профессор, [email protected];
А.Н. Колобов, к.т.н., доцент, [email protected] (Оренбургский государственный университет, просп. Победы, 13, г. Оренбург, 460018, Россия)
В статье описано получение численных значений параметров качества гранул при экструдировании измельченных зерен пшеницы. Качество экструдированной продукции в основном зависит от прочности и однородности гранул. Область применения готового продукта может изменять требования к качеству в широких пределах. Прочность гранулы оценивается импульсом нормальных напряжений, смешивание и однородность - импульсом касательных напряжений, возникающих в обрабатываемом материале в процессе экструдирования. На основании математической модели, описывающей технологический процесс, разработано программное средство, которое позволяет вычислять технико-экономические параметры: производительность, КПД, мощность, время прессования, силу, действующую на рабочие органы, крутящий момент, а также импульсы нормальных и касательных напряжений. На основании проведенных физических экспериментов получены численные значения прочности, крошимости и увеличения объема гранул при определенных кинематических, геометрических и конструктивных параметрах шнека экструдера. При тех же заданных значениях параметров был проведен вычислительный эксперимент с использованием разработанного программного средства. С помощью второго программного средства были получены эмпирические зависимости, связывающие показатели качества готовой продукции с импульсами нормальных и касательных напряжений. Для улучшения визуализации полученных результатов построены поверхности отклика. На них графически отображаются зависимости прочности, крошимости и увеличения объема от импульсов нормальных и касательных напряжений. Таким образом, проводя вычислительные эксперименты (используя первое программное средство) и варьируя широким диапазоном данных (кинематических, конструктивных, геометрических), можно прогнозировать численные значения параметров качества готовой продукции. Это позволяет на этапе эскизного проектирования создавать экструзионную технику с заданными требованиями и характеристиками.
Ключевые слова: процесс экструдирования, математическая модель, вычислительный эксперимент, импульсы нормальных и касательных напряжений, крошимость, прочность, увеличение объема.
В настоящее время экструзионная техника имеет широкий спектр применения: в пищевой, бумажной, химической промышленности, при производстве и переработке пластических масс, в перерабатывающих отраслях АПК и др. Расчетами, математическим моделированием, проектированием, исследованием параметров, а также совершенствованием технологического процесса экструдирования занимались многие исследователи [1-17].
Качество экструдированной продукции в значительной степени зависит от прочности гранул и степени гомогенизации материала. Требования к прочности и однородности могут меняться в широких пределах в зависимости от области применения готового продукта.
Для оценки качества гранул можно использовать импульсы нормальных Sc и импульсы касательных ST напряжений. Условие образования прочной гранулы оценивается импульсом Sc сжимающих напряжений стс, смешивание и гомогенизация продукта - импульсом ST касательных напряжений т. В шнековом прессующем механизме (рис. 1) эти импульсы имеют существенное значение в винтовых каналах шнека, в фильерах матрицы и компрессионных затворах прессующего механизма [1].
Математическое описание технологического процесса
Обработку материалов растительного происхождения в экструдере можно представить как течение псевдопластической жидкости и описать их движение уравнением Оствальда де Виля, связывающим напряжение сдвига Ty со скоростью сдвига ух:
Txy^Vx" (1)
где ц - коэффициент консистенции материала; n -индекс течения, характеризующий отклонение свойств данного материала от свойств ньютоновской жидкости.
Задача сводится к решению системы уравнений:
' Г = Щ<С ,
4(а - о2 Г + B = E (а, - ам г,
' E (а2i-i - а2,-г, Г =
= 4-1(а2,-3 - °2(,-1) Г
A к--1 - °2i г+ в' -
(2)
+B-1,
E' К-! - °2(i-1) У ,
i=2, 3, ..., I, где I- число всех секций, на которые условно делится шнековый механизм для более
123
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
точного математического описания технологического процесса, секция - элементарный шнековый прессующий механизм с условно постоянными параметрами процесса прессования; At - коэффициент, учитывающий реологические свойства материала, геометрические размеры канала шнека, характер движения, отклонения формы канала шнека от прямоугольной и искажение формы канала по сравнению с пространством между параллельными плоскостями, координату нейтральной плоскости (точка, где касательные напряжения равны нулю), а также геометрические размеры полости утечек и характер движения материала в полости утечек i-й секции; Bi - коэффициент, определяющий максимально возможный расход в канале с учетом его геометрических размеров, отклонение формы канала шнека от прямоугольной, искажение формы канала i-й секции; кф - число фильер в матрице; стм, сть ст2,-ь ст2г - нормальные напряжения в матрице, в 1-й секции и в соответствующих секциях прессуемого материала; Ег - коэффициент, учитывающий реологические свойства материала, геометрические размеры компрессионного затвора и характер движения материала в компрессионном затворе i-й секции.
Параметр H можно определить для случая цилиндрических каналов фильер:
H = -
+3
8(4ц0zM Г К + 3)
где й?м - диаметр фильеры; хм - длина канала фильеры; m=l/n.
Коэффициенты Ег, Вг, Аг находятся аналитически [1].
Решение системы уравнений (2) сводится к нахождению стм, сть ст,, а далее рассчитываются производительность экструдера (в канале шнека, в компрессионном затворе и фильерах матрицы), мощность, сила, действующая на рабочие органы, КПД и др. [1].
Импульс сжимающих напряжений, получаемый потоком прессуемого материала:
S = S м+у (snia. + s^ ),
i=1
где Sстм - импульс сжимающих напряжений, получаемый материалом в фильерах матрицы; SctK,, Sстшi - импульсы сжимающих напряжений в компрессионном затворе и канале шнека i-й секции.
Общий импульс касательных напряжений, получаемый материалом в шнековом прессующем
i
механизме: ST = ^ +У О^пш + Stк,),
i=1
где Sxм - импульс касательных напряжений, получаемый материалом в фильерах матрицы; Sш STKi - импульсы касательных напряжений в канале шнека и компрессионном затворе i-й секции (рис. 1) [1].
Таким образом, импульсы нормальных и касательных напряжений можно найти аналитически, используя разработанное программное средство (ПС) [1, 7].
ПС «Расчет технико-экономических параметров одношнековых экструдеров» позволяет при заданных геометрических, конструктивных, кинематических и реологических параметрах вычислять технико-экономические параметры процесса экструдирования (рис. 2) [8].
Для проведения расчетов определяем, как будет осуществляться технологический процесс с оттоком или без оттока жидкой фазы, для этого во вкладке «Материал» выбираем соответствующий технологический процесс. При нажатии на клавиши «Конструктивные параметры» загружаются исходные данные для выбранного шнека. Чтобы определить реологические параметры, выбирается обрабатываемый материал и из БД загружаются реологические параметры выбранного сырья при заданной температуре.
124
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
Рис. 2. Вид главного окна ПС и нахождение технико-экономических параметров Fig. 2. The main window of Жу software tool and finding technical and economic data
На основной форме задаются и выбираются параметры технологического процесса (рис. 2). После определения всех исходных данных можно получить результат, нажав клавишу «Расчет». Использование вкладки «Изменение параметров» позволяет корректировать реологические параметры сырья, а также расширять БД, добавляя реологические данные новых материалов. Предусмотрены корректировка конструктивных и геометрических параметров шнеков, хранящихся в БД, и ввод информации по новым конструкциям.
Результаты
экспериментальных исследований
Был проведен физический эксперимент при следующих значениях геометрических и конструктивных параметров: Dc=0,0552 м, внешний диаметр винтовой линии шнека Dj=0,0542 м, толщина вершины лопасти шнека sm=0,007 м, шаг винтовой лопасти шнека рш1=0,032 м, высота гребней шнека hm=0,125 м, расстояние между шнеком и цилиндром h^=0,005 м, длина шнека Li=0,4 м, ширина компрессионного затвора xk=0,05 м, высота компрессионного затвора hk=0,0041 м, диаметр фильеры матрицы d^O^ll м, длина фильеры матрицы гм=0,02 м, угол подъема витка шнека а=13°, коэффициент искажения пространства
кип1=0,775, коэффициент формы kf=0,797, а также конструктивные параметры - число фильер Аф=1, число заходов шнека qt=1. Были взяты реологические свойства зерен пшеницы при влажности 28 %, скорость вращения шнека изменяли соответственно от 10 до 23 рад/с [9].
При этих же параметрах был проведен вычислительный эксперимент, в результате которого получены все технико-экономические параметры процесса, в том числе определены импульсы нормальных и касательных напряжений [10]. На основании результатов физических экспериментов по определению прочности (P), крошимости (K) и увеличению объема (B) гранул, полученных из измельченной пшеницы, с помощью разработанного авторами ПС получены эмпирические зависимости этих параметров от импульсов нормальных Sa и касательных ST напряжений [10]. Работа ПС показана на рисунке 3.
При нажатии вкладки «Данные» информацию можно ввести с клавиатуры (затем сохранить) либо открыть существующий файл, также предусмотрена корректировка данных. Затем производится анализ исходной информации: задаются функция и аргументы, устанавливается значимость коэффициентов, в результате получается уравнение зависимости одного из параметров качества (прочности) от импульсов нормальных и
125
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
Рис. 3. Получение графической зависимости Fig. 3. Receiving a characteristic curve
Рис. 4. Зависимость прочности (P) от импульса нормальных (Sa) и импульса касательных (Sf напряжений
Fig. 4. A dependence of durability (P) from normal stress impulse (S a) and shear stress impulse (S r)
касательных напряжений. При нажатии клавиши «Результаты» строится график.
Аналогичные действия проводятся для нахождения зависимостей остальных параметров (кро-шимости, увеличения объема) от импульсов нормальных и касательных напряжений.
С использованием ПС получены уравнения регрессии, отображающие зависимость параметров, характеризующих качество продукции, от импульсов нормальных Sa и касательных Sr напряжений (зависимости (3)-(5)) [10]:
P(Sa, Sr)=30,85 + 0,59Sa- 0,0072Sa2, (3)
K(Sa, Sr) = 5,25 + 0,013Sa - 1,58Sr+0,01 SaSr -
- 0,0006Sa2+0,23 Sr2, (4)
B(Sa, Sr) = 2,33+0,001Sa-0,12Sr+0,003 SaSr -
- 0,00019Sa2+0,012 Sr2. (5)
На рисунках 4-6 показана графическая интерпретация результатов.
В заключение необходимо отметить, что при использовании разработанного ПО получены
Рис. 5. Зависимость крошимости (K) от импульса нормальных (Sa) и импульса касательных (Sr) напряжений
Fig. 5. A dependence of destructibility (K) from normal stress impulse (Sa) and shear stress impulse (Sr)
Рис. 6. Зависимость увеличения объема (B) от импульса нормальных (Sa) и импульса касательных (SJ напряжений
Fig. 6. A dependence of bulking (B) from normal stress impulse (Sa) and shear stress impulse (Sr)
уравнения регрессии (3)-(5), показывающие зависимости крошимости, увеличения объема и прочности гранул от импульсов нормальных и касательных напряжений. Это позволяет на уровне эскизного проектирования модернизировать и создавать экструзионную технику с заданными показателями качества выпускаемой продукции. Графическая интерпретация результатов улучшает процесс визуализации проведения анализа и влияния исходных данных на результирующие параметры.
Литература
1. Карташов Л.П., Зубкова Т.М. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 225 с.
2. Оспанов А.А., Тимурбекова А.К., Муслимов Н.Ж. Эффективность процесса экструдирования полизлаковой смеси // Вестн. Воронежского гос. ун-та инженерных технологий. 2012. № 2. С. 13-16.
3. Пепеляева Е.В., Трутнев М.А. Влияние параметров
126
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
экструзионной переработки на содержание свободной глюкозы в зерне озимой ржи // Пермский аграрный вестник. 2013. № 4 (4). С. 28-31.
4. Пищухин А.М., Шевченко М.Н. О проблемах моделирования процесса экструдирования пищевых материалов в среде ANSYS // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 8. С. 49-51.
5. Пищухин А.М., Шевченко М.Н. Архитектура системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров // Вестн. Самарского гос. технич. ун-та. Сер.: Технические науки. 2010. № 2 (27). С. 128-134.
6. Герасимов Е.В., Якубов Р.М., Сляднев Д.Н. Выбор факторов и уровней их варьирования, влияющих на процесс экструдирования кормов // Научные труды SWorld. 2014. Т. 9. № 3.С. 57-63.
7. Зубкова Т.М., Колобов А.Н. Зависимость показателей качества кормов от параметров экструдера // Техника в сельском хозяйстве. 2008. № 5. С. 12-14.
8. Зубкова Т.М., Мустюков Н.А., Корякина М.А. Расчет технико-экономических параметров одношнековых экструдеров. Свид. об офиц. регистр. Прогр. для ЭВМ № 2011612043. Роспатент № 2010617272.
9. Зубкова Т.М., Колобов А.Н., Мустюков Н.А. Физические эксперименты для определения показателей качества экструдированной продукции // Вестн. РАСХН. 2012. № 4. С. 7-9.
10. Зубкова Т.М., Колобов А.Н., Корякина М.А. Программа для расчета показателей качества экструдированных про-
дуктов. Свид. об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ №2009614615. Роспатент № 2009613523.
11. Рудой Д.В. Исследование процесса экструдирования комбикормов для рыб // Вестн. Казанского гос. аграрного унта. 2014. Т. 9. № 3 (33). С. 95-97.
12. Фролов В.Ю., Якубов P.M. Повышение эффективности процесса экструдирования соевых кормов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 7. С. 32-33.
13. Новиков В.В., Янзина Е.В., Успенская И.В. Технология экструдирования кормов // Известия Самарской гос. сельскохозяйственной академии. 2009. № 3. С. 64-66.
14. Новиков В.В., Беляев Д.В., Мишанин А.Л. Обоснование потребной производительности отдельных участков шнекового пресса // Аграрный научный журнал. 2007. № 4. С. 48-49.
15. Мишанин А.Л. К вопросу оптимизации параметров матрицы экструдера // Изв. Самарской гос. сельскохоз. академии. 2008. № 3. С. 164-166.
16. Тимофеева Д.В., Зинюхина А.Г., Попов В.П., Коротков В.Г., Антимонов С.В. Оптимизация изменения агрегатного состояния сырья в процессе экструзии // Вестн. Оренбургского гос. ун-та. 2013. № 3 (152). С. 225-229.
17. Муслимов Н.Ж. Влияние влажности полизлаковой смеси и частоты вращения рабочего органа двухшнекового экструдера на эффективность ведения технологического процесса экструдирования // Молодой ученый. 2010. № 8-1. С. 116-120.
DOI: 10.15827/0236-235X.111.123-128 Received 05.02.15
USE OF THE SOFTWARE FOR DEFINITION AND FORECASTING OF EXTRUDED PRODUCTION QUALITY INDICATORS
(The work has been done with financial support of the RFBR and the government of Orenburg region,
grant no. 14-08-97031)
Zubkova T.M., Dr.Sc. (Engineering), Professor, [email protected];
Kolobov A.N., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, [email protected] (Orenburg State University, Pobedy Ave. 13, Orenburg, 460018, Russian Federation)
Abstract. The article describes the means of obtaining numerical values of grain quality parameters of extruded shredded wheat. Extruded production quality depends on grain durability and uniformity. The final product application range can greatly change quality requirements. Granule durability is estimated by a normal voltage impulse, blending and uniformity -by the shear stress impulse arising in the work materials during extruding process. Based on the mathematical model which describes the production technology, special software was developed. It allows calculating technical and economic data (productivity, efficiency, power, pressing time, force operating on working bodies, torque effect, as well as normal and shear stress impulses). Carryed out physical experiments helped to get numerical figures of grain durability, destructibility and an increase of granule volume due to certain kinematic, geometrical and design parameters of an extruder’s screw. A computing experiment with the developed software was carried out using the same parameters. Empirical dependences, which connect indicators of finished goods quality with impulses of normal and shear stress were obtained using the second software application. Special surface responses were created to improve visualization of the results. The responses graphically display durability, destructibility, volume increase in normal and shear stress impulses. Thus, it is possible to predict numerical criteria of finished goods quality making computing experiments (using the first software) and varying a wide data range. It allows creating extrusive equipment with set requirements and characteristics at the outline design stage.
Keywords: extrusion process, mathematical model, computer experiment, normal and shear stresses impulses, crumbleability, strength, volume increase.
References
1. Kartashov L.P., Zubkova T.M. Parametrichesky i strukturny sintez tekhnologicheskikh obektov na osnove sistemnogo podkhoda i matematicheskogo modelirovaniya [Parametrical and Structural Synthesis of Technological Objects on the Basis of System Approach and Mathematical Modeling]. Ekaterinburg, UrO RAN Publ., 2009, 225 p.
2. Ospanov A.A., Timurbekova A.K., Muslimov N.Zh. The efficiency of the extrusion process polisialovoi mixture. Vestn. Voronezhskogo gos. un-ta inzhenernykh tekhnology [Herald of the Voronezh State Univ. of Engineering Technologies]. 2012, no. 2, pp. 13-16 (in Russ.).
3. Pepelyaeva E.V., Trutnev M.A. Impact of exstrusion processing parameters on content of free glucose in winter rye grain. Permsky agrarny vestnik [Perm Agrarian Journal]. 2013, no. 4 (4), pp. 28-31 (in Russ.).
4. Pishchukhin A.M., Shevchenko M.N. Modeling problems of the extrusion process in food industry in ANSYS system environment. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern High Technologies]. 2009, no. 8, pp. 49-51 (in Russ.).
127
Программные продукты и системы /Software & Systems
№ 3 (111), 2015
5. Pishchukhin A.M., Shevchenko M.N. Automation system architecture for screw extruders design. Vestnik Samarskogo gos. tekhnich. univ. Ser. Fiziko-matematicheskie nauki [Journ. of Samara State Technical Univ. Ser. Phys. and Math. Sci.]. 2010, no. 2 (27), pp. 128-134 (in Russ.).
6. Gerasimov E.V., Yakubov R.M., Slyadnev D.N. The choice of factors and their variation levels affecting the feed extruding process. Nauchnye trudy SWorld [SWorld Scientific Works]. 2014, vol. 9, no. 3, pp. 57-63 (in Russ.).
7. Zubkova T.M., Kolobov A.N. Dependence of feed quality factors from extruder parameters. Tekhnika v selskom khozyaystve [Equipment in Agricultural Industry]. 2008, no. 5, pp. 12-14 (in Russ.).
8. Zubkova T.M., Mustyukov N.A., Koryakina M.A. Raschet tekhniko-ekonomicheskikh parametrov odnoshnekovykh ekstruderov [Calculation of performance parameters of single screw extruders]. PC program. Patent PF, no. 2010617272, 2011 (in Russ.).
9. Zubkova T.M., Kolobov A.N., Mustyukov N.A. Physical experiments for determining quality factors of extruded production. Vestnik Rossiyskoy akademii selskokhozyaystvennykh nauk [Bulletin of the Russian Academy of Agricultural Sciences]. 2012, no. 4, pp. 7-9 (in Russ.).
10. Zubkova T.M., Kolobov A.N., Koryakina M.A. Programma dlya rascheta pokazateley kachestva ekstrudirovannykh produktov [PC Program for Calculating Quality Factors of Extruded Production]. Patent PF, no. 2009614615, 2009 (in Russ.).
11. Rudoy D.V. Study of the process of extrusion of feed for fish. Vestn. Kazanskogo gos. agrarnogo universiteta [Vestnik of Kazan State Agrarian Univ.]. 2014, vol. 9, no. 3 (33), pp. 95-97 (in Russ.).
12. Frolov V.Yu., Yakubov R.M. Improving the efficiency of the soy feed extrusion process. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya selskogo khozyaystva [Mechanization and electrification of agriculture]. 2007, no. 7, pp. 32-33 (in Russ.).
13. Novikov V.V., Yanzina E.V., Uspenskaya I.V. Feed Extrusion Technology. Izvestiya Samarskoy gos. selskokhozyaystvennoy akademii [News of the Samara State Agricultural Academy]. 2009, no. 3, pp. 64-66 (in Russ.).
14. Novikov V.V., Belyaev D.V., Mishanin A.L. Justification of required performance of screw press separate plots. Agrarny nauchny zhurnal [Agricultural Research Journ.]. 2007, no. 4, pp. 48-49 (in Russ.).
15. Mishanin A.L. To the question of the extruder matrix parameters optimization. Izvestiya Samarskoy gos. selskokhozyaystvennoy akademii [News of the Samara State Agricultural Academy]. 2008, no. 3, pp. 164-166 (in Russ.).
16. Timofeeva D.V., Zinyukhina A.G., Popov V.P., Korotkov V.G., Antimonov S.V. Optimization of changing raw materials aggregation state in the extrusion process. Vestn. Orenburgskogo gos. un-ta [Vestnik of Orenburg state Univ.]. 2013, no. 3 (152), pp. 225-229 (in Russ.).
17. Muslimov N.Zh. The effect of polygrass mixture humidity and the rotational speed of the working twin-screw extruder on the efficiency of extrusion technological process. Molodoy ucheny [Young scientist]. 2010, no. 8-1, pp. 116-120 (in Russ.).
Реклама
НИИ «Центрпрограммсистем»: разработка тренажеров, тренажерных комплексов и автоматизированных систем обучения
Комплексные решения по созданию систем теоретического обучения и тренажерной подготовки:
- автоматизированные системы обучения;
- специализированные тренажеры для индивидуальной и групповой подготовки специалистов по техническому обслуживанию и боевому использованию образцов вооружения, военной и специальной техники;
- комплексные тренажеры для подготовки расчетов боевых постов и командных пунктов различных уровней по решению тактических и оперативных задач;
- тренажеры по подготовке к управлению техническими средствами и борьбой за живучесть корабля;
- аппаратно-программный комплекс руководства обучением и комплексирова-ния.
Предприятие имеет 25-летний опыт разработки учебно-тренировочных средств для Вооруженных сил, достаточную материально-техническую базу и необходимые лицензии.
Подробности на сайте www.cps.tver.ru Телефон: (4822) 44-32-44 Электронная почта: [email protected]
128
