Обоснование винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

где Я = !(Б1к + Б );

Б1к — внутренний диаметр корпуса; х1 — расстояние от начала зоны плавления до измерительного элемента. Если определение крутящего момента Мп в конце зон производить при помощи устройств для измерения крутящих моментов, тогда Мп определяется формулой:

Мп = т-2я-Ь1 ■ Я , (6)

где Ь1 — длина зазора между шнеком и внутренним диаметром насадки; Я1 — расстояние до зазора. С учётом уравнения Максвелла получаем измеряемый крутящий момент в каждой зоне:

Mn = ( у-п)

1 - e '

2кЬ1 - R12

(7)

На основании сравнения измеряемых и расчётных крутящих моментов можно управлять процессом экструзии.

Выводы. Составлена математическая модель процесса экструзии белково-клетчатко-крах-малосодержащего сырья с учётом зон шнековой камеры пресс-экструдера: зоны плавления и дозирования. Полученная математическая модель позволяет учитывать структурно-механические преобразования в перерабатываемом материале в процессе его превращения от сыпучего до упруго-вязкого. Получено уравнение для измеряемого крутящего момента, определяемого с помощью специальных устройств. Сравнивая расчётные и измеряемые крутящие моменты, можно управлять процессом экструзии и получать готовый продукт высокого качества при минимальных затратах энергии.

Литература

1. Мартынова Д.В. Исследование влияния экструдированного кормового продукта на продуктивность крупного рогатого скота / Д.В. Мартынова, В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Ан-тимонов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 88—90.

2. Тимофеева Д.В. Разработка технологии экструдированных продуктов с учётом адгезионно-когезионных технологий / Д.В. Тимофеева, В.П. Попов, Н.В. Белов, А.Г. Белова, Е.В. Ганин // Инновационные технологии в АПК: теория и практика: сб. ст. Всерос. науч.-практич. конф. / МНИЦ ПГСХА. Пенза: РИО ПГСХА, 2013. С. 75-177.

3. Тимофеева Д.В. Оптимизация процесса преобразования агрегатного состояния зернового сырья при экструзионной обработке / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, В.П. Попов, С.В. Антимонов // Хлебопродукты. 2013. № 8. С. 46-48.

4. Тимофеева Д.В. Исследование процесса преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичный в канале шнека пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов // Бъдещие изследования: матер. IX междунар. науч.-практич. конф. Т. 25. Селско стопанство. Ветеринарная наука. София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2013. С. 50-54.

5. Тимофеева Д.В. Исследование преобразования структурно-механических свойств и химического состава белково-крахмало-клетчаткосодержащего сырья в канале одношне-кового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, С.В. Кишкилёв,

B.П. Попов, Н.Н. Мартынов // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: матер. Всерос. науч.-методич. конф. (с междунар. участием) / Оренбургский гос. ун-т. Оренбург: ООО «ИПК «Университет», 2015. С. 1007-1014.

6. Попов В.П. Технология получения экструдированных кормов с применением гречишной и подсолнечной лузги / В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых,

C.В. Кишкилёв // Хранение и переработка сельхозсырья.

2013. № 4. С. 47-49.

7. Мартынова Д.В. Оптимизация процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2016. № 3. С. 151-156.

8. Тимофеева Д.В. Обоснование оптимальных параметров экс-трудирования различных видов сырья в канале одношнеково-го пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: матер. Всерос. науч.-методич. конф. / Оренбургский гос. ун-т. Оренбург: ООО «ИПК «Университет», 2014. С. 1298-1305.

9. Мартынова Д.В. Модернизация шнекового пресс-экструдера / Д.В. Мартынова, В.П. Попов, А.Г. Зинюхина, Н.Н. Мартынов, В.П. Ханин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2016. № 4. С. 104-108.

10. Тимофеева Д.В. Модернизация рабочего органа типового одношнекового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, В.П. Попов, С.В. Антимонов // Хлебопродукты.

2014. № 10. С. 50-52.

Обоснование винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера

И.Е. Припоров, к.т.н, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУим. И. Т. Тру-билина

Прогрессивным технологическим процессом в комбикормовом производстве является экструзия комбикормов и их компонентов, которая обеспечивает высокую их сохранность и повышенную продуктивность животных [1].

Экструзия — обработка зерна под действием высокого давления и температуры, способствующая повышению усвояемости питательных веществ. Для экструдирования зерна используется пресс-экструдер типа КМЗ-2 [2] и его модификации.

В. В. Новиков предложил разделить на четыре зоны шнек пресс-экструдера КМЗ-2 [3]:

1. Загрузка материала, интенсивное его перемешивание, перемешивание вдоль оси шнека и начало уплотнения;

2. Повышение давления и уплотнение материала с сохранением его сыпучих свойств;

3. Смесь приобретает вязкопластическое состояние за счёт повышения давления и температуры, которая возрастает 400—430К. Карбамид, находящийся в смеси, плавится, поглощается бентонитом и массой клейстеризованного крахмала;

4. Вязкопластическая масса продавливается через регулируемые отверстия матрицы, которая ножом экструдера разрезается на гранулы с последующим охлаждением до 298—330К.

Проведённые теоретические исследования, представленные В.Ю. Фроловым [2], показали, что шнек должен иметь переменный уменьшающийся шаг по мере передвижения вдоль его оси. При этом происходит уплотнение обрабатываемого кормового материала (ОКМ), и он подходит к кондиции, близкой к способности принимать необходимую форму в соответствии с требованиями к процессу.

Непостоянство физико-механических свойств смеси, поступающей на экструдирование, вызывает колебание давления внутри пресс-экструдера, нестабильность процесса. Получаемый продукт имеет неоднородный состав и свойства и, как следствие — повышенную энергоёмкость [4].

Цель исследования. Для уменьшения энергоёмкости рабочего процесса необходимо обосновать винтовую поверхность шнека переменного шага пресс-экструдера в виде параметрических уравнений с точки зрения его изготовления.

Материал и методы исследования. Рассмотрим рабочий процесс шнека переменного шага пресс-экструдера с учётом допущений, сделанных В.Ю. Фроловым [3]:

1) обрабатываемый кормовой материал на основе подсолнечного жмыха движется вдоль оси шнека в виде сплошной неразрывной среды и за один его оборот перемещается на один шаг винтовой поверхности;

2) площадь поперечного сечения ОКМ на основе подсолнечного жмыха перпендикулярна оси шнека и является квазипостоянной. В связи с этим, чем меньше шаг витка, тем объём, занимающий одно и то же количество массы, уменьшается при одном и том же угле его поворота, увеличивается его уплотнение, и масса быстрее доходит до требуемых концентраций.

Результаты исследования. Шаг витка определяется по выражению:

t = а t„

где а — коэффициент пропорциональности (а >1); — шаг г-х витков, м.

Принимаем уменьшение шага по мере поворота шнека на угол ф, равный:

0° (исходное положение) t = Ь;

360° (1 оборот)

^ = Ь t = Ь а;

720° (2 оборота)

t2 = ti а = а2Ь

1080° от первоначального положения (3 оборота);

t з t2a = а3Ь;

1440° (4 оборота)

t4 = t3a = а4Ь.

При повороте шнека переменного шага на угол ф = 360# шаг витка будет равен:

tN= а^=анЬ. (1)

Для определения характера винтовой линии шнека переменного шага пресс-экструдера рассмотрим равномерное поступательное вращение

точки М вокруг оси г против часовой стрелки (рис. 1). Полученная траектория точки М является винтовой линией [2].

Рис. 1 - К выводу параметрических уравнений винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера

За параметр, определяющий положение точки М [2], был принят угол поворота ф = 360N, образованный между осью х и проекцией ОР (рис. 1). Координаты х и y точки М совпадают с точкой Р, а вертикальное перемещение z растёт пропорционально углу поворота ф = 360N, т.е.

z = CtN.

Тогда вертикальное перемещение с учётом выражения (1) будет равно:

z = C • aNb.

Параметрические уравнения винтовой линии шнека переменного шага пресс-экструдера с учётом допущений, представленных в работе В.Ю. Фролова, примут вид:

х = r cosq); y = r sin ф; z = Сф. (2)

Если величина С Ф const, т.е. С = С(ф) [2], параметрические уравнения (2) винтовой линии с учётом выражения (3) примут следующий вид:

С =

aN • b 2п

х = r cosф, y = r • Sin ф, z = -

aN • b

(3)

2n

-ф.

Параметрические уравнения (4) описывают винтовую линию шнека переменного шага пресс-экструдера при его повороте на угол ф = 360N.

Если C = const и является некоторой функцией C (ф) угла поворота ф = 360N, то параметрические уравнения винтовой поверхности шнека переменного шага [2] с учётом выражения (3) примут вид:

X = f (м)cosф; y = -f (и) sin ф;

z = у(и) + -

• Ъ

2п

ф.

(4)

В качестве образующей L винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера (рис. 1) были выбраны кривые.

На шнеке переменного шага пресс-экструдера будем различать две винтовые поверхности — верхнюю, нижнюю (рис. 2) [2]. Верхней и нижней винтовыми поверхностями P1 и P2 В.Ю. Фролов назвал поверхности, образованные соответственно верхней и нижней кривыми L1 и L2 (рис. 2), определяемые внешними нормалями n1 и n2 в любой точке, составляющие угол с положительным направлением оси z. Они направлены в верхнее и нижнее полупространства соответственно по отношению к касательной плоскости, проходящей через точку.

Наиболее технологичным с точки зрения изготовления будет являться шнек с переменным шагом. На нём верхняя P1 и нижняя P2 поверхности с образующими L1 и L2 (рис. 3) соответственно являются прямыми, которые перпендикулярны оси z и описываются уравнениями [2]:

_ _ . _дь X1,2 _ U _ r. Z1,2 _

при Ab = const, R1 >u>R2.

2

(5)

Рис. 2 - К обоснованию выбора винтовых поверхностей шнека переменного шага пресс-экструдера с точки зрения технологичности их изготовления

Верхняя и нижняя винтовые поверхности Pj и P2 соответственно описываются уравнениями с учётом допущений, сделанных В.Ю. Фроловым [2], и выражения (3) примут вид:

ДЬ •aN • b

xj = u cos9; yj = u sin ф; zj =--ф;

4n

ДЬ •aN • b

x2 = u cosф; y2 = u sin ф; z2 =--ф.

4n

(7)

Рис. 3 - К определению уравнений поверхностей вращения шнека переменного шага пресс-экструдера

В продольном осевом сечении профиль шнеко-вой поверхности образует прямоугольник наподобие профиля прямоугольной резьбы с переменным шагом. Такой шнек был назван с прямоугольным поперечным сечением, площадь которого составляет (R2-R1)-Ab [2].

Поверхностью вращения для винтовой являются [2]:

x _ u cosф; y _ usin ф; z _^(u).

Поверхность вращения для рассматриваемых винтовых имеет вид:

x _ u cosф; y _ u sin ф; z _ d, (R2 > u >Ri).

где d _ ± — для верхней и нижней поверхностей 2

P1 и P2 соответственно.

Из уравнений (6) следует, что поверхностью вращения является часть круга, расположенного в горизонтальной плоскости и ограниченного окружностями радиусами R2 и R1.

Винтовые поверхности (5) наложены на плоское кольцо с внешним и внутренним радиусами соответственно, которые являются технологичными.

Технологичными являются поверхности, в которых образующая L1 является прямой, составляющей угол с осью z (рис. 3) [2].

Для L1 и L2 [2] уравнения поверхностей вращения шнека переменного шага пресс-экструдера с учётом выражения (7) описываются следующим видом:

tga = -

(dK - dH )

'Ъ(z -1) + £f AЪ

(8)

N

a

a

•4,2

= u( z);

Z1,2 = ±(R2 - u)~

2(rK - rH )

fb( z -1) + JZ Ab

(9)

где z — количество витков шнека по длине вала; АЬ — ширина витка шнека в нормальном сечении, м.

Винтовые поверхности вращения P1 и P2 шнека переменного шага пресс-экструдера для образующих L1 и L2 [3] с учётом выражения (7) описываются параметрическими уравнениями:

x1 2 = u cos9; y12 = u sin ф;

Z1, 2 =±(R2 - u)~

2(rK - rH )

<b ■ (z -1) + £f Ab а с учётом выражений (3) и (5), окончательно примут вид:

x12 = r cosф; д2 = r sin ф. (10)

Выводы. Винтовые поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера описываются параметрическими уравнениями (9) и являются технологичными с учётом рациональных конструктивных параметров и угла поворота (ф = 360N), позволяющие увеличить уплотнение ОКМ на основе подсолнечного жмыха с меньшей энергоёмкостью рабочего процесса.

Подсолнечный жмых получают путём экстру-дирования целых семян, имеющих определённые

физико-механические свойства [5—7], полученных на воздушно-решётных зерноочистительных машинах [8, 9].

Литература

1. Новиков В.В. Экспериментальное обоснование рациональных параметров модернизированного экструдера КМЗ-2,0У / В.В. Новиков, В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева, Д.В. Беляев // Нива Поволжья. 2010. № 4. С. 48-51.

2. Фролов В.Ю. Совершенствование технологий и технических средств приготовления и раздачи высококачественных кормов на малых фермах: дисс. ... докт. техн. наук. Новосибирск, 2002. 302 с.

3. Фролов В.Ю. Теоретические и экспериментальные аспекты разработки технологий и технических средств, приготовления коцентрированных кормов на основе соевого белка. Краснодар: КубГАУ, 2010. 140 с.

4. Коновалов В.В., Орсик И.Л., Успенская И.В. Оптимизация конструктивно-технологических параметров направителя пресс-экструдера по неравномерности давления в зоне загрузки // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 2(30). С. 161-165.

5. Припоров И.Е. Использование подсолнечного жмыха в рационе крупного рогатого скота // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 184-187.

6. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Влияние толщины, ширины и индивидуальной массы семян подсолнечника на скорость их витания. Масличные культуры // Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2010. № 1 (142-143). С. 76-80.

7. Припоров И.Е. Механико-технологическое обоснование процесса разделения компонентов вороха семян подсолнечника на воздушно-решётных зерноочистительных машинах. Краснодар: КубГАУ, 2016. 212 с.

8. Трубилин Е.И., Припоров И.Е. Технические средства для послеуборочной обработки семян подсолнечника: учебное пособие. Краснодар: КубГАУ, 2015. 237 с.

9. Припоров Е.В., Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Эффективная очистка семян подсолнечника // Сельский механизатор. 2014. № 1 (59). С. 15.

a

Экспериментально-теоретическое обоснование конструкции и диаметра трубного вала шнека-мотовила жатки для уборки подсолнечника

А.С. Старцев, к.т.н, ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ

При проектировании и разработке современных уборочных машин необходимо ориентироваться на различные физико-механические свойства и геометрические особенности убираемых культур, которые могут варьироваться в широких пределах [1, 2].

Материал и методы исследования. На кафедре «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК» Саратовского ГАУ была разработана конструкция шнека-мотовила специализированной жатки для уборки подсолнечника [3].

Шнек-мотовило состоит из трубного вала 1, оснащённого двусторонней навивкой 2, к которому жёстко крепятся Г-образные отсекатели 3. Конструкция оснащена стеблеподъёмниками 4 (рис. 1).

Работает приспособление следующим образом. Зерноуборочный комбайн входит в стеблестой подсолнечника стеблеподъёмниками 4, разделяя его по междурядьям. Захват стеблей осуществляется

витками 2 шнека и отсекателями 3, в процессе чего происходит наклон стеблей витками к центру шнека-мотовила таким образом, чтобы корзинки оказались над днищем жатки. В результате этого снижается ускорение движения корзинок и семянки осыпаются над днищем жатки. Стебли, не захватываемые отсекателями 3, попадают под воздействие витков 2 шнека, которые также наклоняют их к центру днища жатки. Вследствие этого удаётся избежать прямого удара корзинок подсолнечника о трубный вал шнека-мотовила и, как следствие, осыпания семянок с последующим отбросом их за пределы бокового фартука 5.

Определяющим значением работы разработанной конструкции являлось определение влияния величины диаметра трубного вала и трубного вала с навивкой на осыпаемость семянок подсолнечника, а также влияния ускорения движения корзинки ^корз на величину потерь семянок.

Для определения зависимости ускорения движения корзинки ^ от осыпаемости семянок была