CC BY
11УДК 631.363.28.004.76 Е. А. Ладыгин
Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Российская Федерация
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ И ПАРАМЕТРОВ
ШЕСТЕРЕННОГО ОДНОМАТРИЧНОГО ПРЕССА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВ
Цель исследования - оптимизация режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса при плунжерном воздействии зубьев колеса-матрицы на материал. Методика исследования основана на планировании и реализации двухфакторного эксперимента. В качестве изменяемых факторов в эксперименте приняты частота вращения колеса-матрицы и коэффициент высоты головки зуба. Для осуществления эксперимента принят трехуровневый план для двух факторов. В качестве критериев оптимизации были приняты производительность пресса, качество гранул (крошимость) и энергоемкость процесса. В результате проведения эксперимента и обработки опытных данных были получены математические модели для производительности пресса, кро-шимости гранул и энергоемкости процесса. Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение высоты зубьев способствует росту производительности пресса и уменьшению энергоемкости, но одновременно увеличивает крошимость гранул; по мере увеличения частоты вращения зубчатых колес производительность пресса также растет, а энергоемкость процесса производства гранул падает; минимизировать кро-шимость гранул можно путем уменьшения высоты зубьев и частоты вращения зубчатых колес. По результатам производственной проверки, одноматричный гранулятор внешнего зацепления с диаметром делительной окружности матрицы 480 мм и расположенными между зубьями 40 каналами прессования сечением 12*20 мм способен производить до 73 кг/ч гранул с крошимостью не более 5 % при числе оборотов матрицы 68 об/мин и коэффициенте высоты головки зуба 0,6 модуля. Уровень энергоемкости процесса гранулирования кормов с помощью такого шестеренного устройства составил ~ 10 кВт-ч/т, что почти в три раза ниже, чем у кольцевых промышленных устройств прокатывающего типа.
Ключевые слова: шестеренный пресс, головка зуба, колесо-матрица, прессующее колесо, производительность, крошимость гранул, энергоемкость, оптимизация.
Ye. A. Ladygin
Don State Agrarian University, Persianovskiy, Russian Federation
OPTIMIZATION OF OPERATION AND PARAMETERS OF A SINGLE-MATRIX GEAR PRESS FOR PELLETED
FEED PRODUCTION
The aim of the research is to optimize operation regime and the parameters of a singlematrix gear press under piston impact of the teeth of matrix-wheel on material. Exploratory procedure bases on planning and realization of two-variable experiment. Variable factors were rotation frequency of matrix-wheel and coefficient of a tooth addendum. To carry out the experiment three-level plan for two factors was adopted. Press productivity, quality of granules (granule crumbling), and power-intensity of the process were optimization criteria. The experiment results and data processing enabled to get mathematical models for press
productivity, quality of granules (granule crumbling), and power-intensity of the process. Analysis of obtained relations has shown that increasing of tooth addendum facilitates for enhancing press productivity and decreasing power-intensity, but simultaneously increasing granule crumbling. While the rotation frequency of the gear wheel grows press productivity grows as well, and power-intensity of the process declines. Granule crumbling can be minimized by decreasing tooth addendum and rotation frequency of gear wheels. Industrial inspection results of the single-matrix granulator of externally toothed with pitch diameter of matrix 480 mm and 40 pressing canals section of 12*20 mm placed between gear teeth can provide up to 73 kg per hour granules with the crumbling less than 5 % at matrix speed of 68 revolutions per minute and coefficient of tooth addendum 0.6 of modulus. The level of power-intensity for the process of forage granulating by such a gear device was about 10 kWh per ton, which is three times less than for industrial annular press of roll type.
Keywords: gear press, addendum, matrix-wheel, pressing wheel, productivity, granule crumbling, power-intensity, optimization.
Шестеренный одноматричный пресс (рисунок 1) формирует гранулы в отверстиях матричных каналов большого колеса-матрицы при вхождении в них зубьев малого прессующего колеса.
2 1 3 6 4 5 7
1 - рама; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - дозатор кормов; 5 - бункер; 6 - колесо-матрица; 7 - прессующее колесо
Рисунок 1 - Общий вид гранулятора с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом (автор фото Е. А. Ладыгин)
Изучению рабочего процесса шестеренного, в т. ч. одноматричного, пресса был посвящен ряд работ [1-8]. Во время предыдущего эксперимен-
та по оценке влияния некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного пресса на качество гранул из растительных материалов [1] было установлено, что рабочий орган шестеренного пресса в установленном диапазоне высоты головки зуба прессующего колеса реализует процесс сжатия корма по двум принципиально разным воздействиям. В области малой высоты головки зуба осуществляется плунжерное воздействие на корм, поэтому гранула формируется небольшими порциями и с большой выдержкой сжатого корма в канале прессования. Получается небольшое количество гранул с большой прочностью. Энергоемкость процесса наименьшая.
При полнопрофильной головке зуба гранула формируется из больших порций [4]. Производительность гранулятора наибольшая, но кроши-мость гранул превышает стандартный уровень. Энергоемкость процесса гранулирования большая из-за значительного радиуса действия сжимающей силы. Гранула формируется при воздействии на корм боковой поверхности зуба. Плечо действия силы сжатия равно радиусу начальной окружности зубчатого колеса.
Дальнейшие экспериментальные исследования необходимо переместить в зону наименьшей энергоемкости. Следовательно, дальнейший эксперимент надо провести в диапазоне коэффициента высоты головки зуба И*а = 0,2...0,4т, т. е. при плунжерном воздействии зубчатого колеса на корм. Так как крошимость гранул составляет 5-6 %, есть возможность увеличить частоту вращения матрицы до 40-60 об/мин и тем самым способствовать увеличению производительности гранулятора.
В связи с этим цель данного исследования заключалась в оптимизации режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса при плунжерном воздействии зубьев колеса-матрицы на материал.
Методика исследования основана на планировании и реализации двухфакторного эксперимента [9].
В качестве изменяемых факторов в эксперименте приняты частота вращения колеса-матрицы и коэффициент высоты головки зуба.
Для осуществления эксперимента принят трехуровневый план для двух факторов.
План эксперимента представлен в таблице 1. Таблица 1 - План эксперимента
Номер опыта Уровень фактора в опыте Расшифровка
х1 Х2
1 + + Ядро эксперимента
2 - -
3 + -
4 - +
5 - 0 Звездные точки
6 + 0
7 0 +
8 0 -
9 0 0 Нулевая точка
Диапазон варьирования факторов представлен в таблице 2. Таблица 2 - Варьирование факторов в эксперименте
Наименование фактора Единица измерения Уровень и значение фактора в опыте
нижний -1 средний 0 верхний +1
Коэффициент высоты головки зуба И* - 0,2 0,4 0,6
Частота вращения колеса-матрицы об/мин 40 54 68
В качестве критериев оптимизации были выбраны производительность пресса, качество гранул (крошимость) и энергоемкость процесса.
Крошимость гранул определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 23513-79 «Брикеты и гранулы кормовые. Технические условия». Согласно стандарту, крошимость кормовых гранул не должна превышать 10 %.
В результате реализации эксперимента и обработки опытных данных по методике двухфакторного планирования [9] получена функция отклика
на критерии оптимизации в следующем виде:
,, 2 2 У = а0 + а + а2 х2 + а12 х1 х2 + а11 Х1 + а22 Х2 .
Затем производились проверка на адекватность и оценка дисперсии воспроизводимости опытов в эксперименте. В завершение строились поверхности откликов для наглядного представления влияния факторов на критерий оптимизации и выбора рационального режима работы.
Работа гранулятора оценивалась по трем критериям: по производительности (количественный критерий), по крошимости полученных гранул (качественный критерий) и энергоемкости.
План и результаты эксперимента приведены в таблице 3. Таблица 3 - План и результаты двухфакторного эксперимента
х, х2 Коэффициент Частота Производи- Кроши- Энергоемкость,
высоты голов- вращения тельность, мость, % кВт-ч/т
ки зуба И* матрицы, об/мин кг/ч
+ + 0,6 68 73,85 11,20 22,63
+ - 0,6 54 59,21 5,46 18,38
- + 0,6 40 33,58 7,52 10,63
- - 0,2 68 32,87 3,16 8,38
+ 0 0,2 54 72,37 5,86 16,85
- 0 0,2 40 21,68 3,47 10,63
0 + 0,4 68 67,54 7,63 10,45
0 - 0,4 54 40,35 3,84 8,70
0 0 0,4 40 60,83 4,90 15,92
В результате проведения эксперимента и обработки опытных данных были получены математические модели для производительности пресса, крошимости гранул и энергоемкости процесса:
Уе = 51,63 + 18,75 х1 + 7,09 х2 + 9,85 х1 х2 +Ц2 + 1,01х22,
УКР = 5,84 +1,59х1 + 2,32 х 2 + 0,98 х1 х 2 + 0,12 х12 + 0,13 х 22, УЭ =13,51 + 4,9 х1 +1,38 х2 +1,41х1 х2 + 0,29 х' + 0,26 х22, где УQ - производительность пресса, кг/ч;
х1 - высота зуба, мм;
х2 - частота вращения зубчатых колес, об/мин;
УКР - крошимость гранул, %;
УЭ - энергоемкость процесса производства гранул, кВт-ч/т.
Анализ поверхности отклика, характеризующей производительность пресса, дает основания рекомендовать с целью увеличения производительности высоту головки зуба 0,6 модуля и частоту вращения 68 об/мин (рисунок 2).
.о
I-
о о
X .0 е;
Р *
ч о ш
п *
о о.
90 80 70 60 50 40 30 20
0,2
коэффициент
высоты головки зуба,И
□ 80-90
□ 70-80
□ 60-70
□ 50-60
□ 40-50
□ 30-40
□ 20-30
0,5
0,6
68
частота вращения матрицы, об/мин
Рисунок 2 - Поверхность отклика, характеризующая производительность
Анализируя поверхность отклика, характеризующую крошимость, можно рекомендовать высоту головки зуба 0,2 модуля и частоту вращения 40 об/мин (рисунок 3).
.о
I-
о о 5
3 о о.
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
Коэффициент высоты головки зуба, И
■ 10-11
□ 9-10
□ 8-9
□ 7-8
□ 6-7
□ 5-6
□ 4-5
□ 3-4
□ 2-3
0,6
68
Частота вращения матрицы, об/мин
Рисунок 3 - Поверхность отклика, характеризующая крошимость
Анализ поверхности отклика на рисунке 4 дает основания рекомендовать с целью снижения энергоемкости частоту вращения матрицы 68 об/мин и коэффициент высоты головки зуба 0,6 модуля.
Рисунок 4 - Поверхность отклика, характеризующая энергоемкость
Анализ полученных зависимостей позволил сделать следующие общие выводы:
- увеличение высоты зубьев способствует росту производительности пресса и уменьшению энергоемкости, но одновременно увеличивает кро-шимость гранул;
- по мере увеличения частоты вращения зубчатых колес производительность пресса растет, а энергоемкость процесса производства гранул падает;
- минимизировать крошимость гранул можно путем уменьшения высоты зубьев и частоты вращения зубчатых колес.
Для определения оптимальных параметров прессующего колеса и режимов работы гранулятора с целью увеличения производительности и получения качественных гранул решалась компромиссная задача, представленная на рисунке 5.
Коэффициент высоты головки зуба, h
Компромиссная задача Компромиссная задача
О.Э 0,4 0,53 0.0 0.3 0.4 0,53 0.0
Коэффициент высоты Коэффициент высоты
головки зуба, 1> головки зуба, Ь
Рисунок 5 - Компромиссная задача производительности пресса, энергоемкости процесса и крошимости гранул
По результатам производственной проверки, одноматричный грану-лятор внешнего зацепления с диаметром делительной окружности матрицы 480 мм и расположенными между зубьями 40 каналами прессования сечением 12*20 мм способен производить до 73 кг/ч гранул с крошимо-стью не более 5 % при числе оборотов матрицы 68 об/мин и коэффициенте высоты головки зуба 0,6 модуля. Уровень энергоемкости процесса гранулирования кормов с помощью такого шестеренного устройства составил около 10 кВт-ч/т, что почти в три раза ниже, чем у кольцевых промышленных устройств прокатывающего типа.
Принципы порционного гранулирования кормов можно осуществить в прессах шестеренного типа. Созданное на основе шестеренных грануля-торов оборудование позволяет увеличить эффективность использования большего количества зерноотходов, отходов подсолнечника и других пригодных для кормовых целей культур.
Список использованных источников
1 Ладыгин, Е. А. Оптимизация конструктивных и технологических параметров одноматричного шестеренного пресса [Электронный ресурс] / Е. А. Ладыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ,
2012. - № 4(08). - 10 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=131&id=144.
2 Ладыгин, Е. А. К минимизации энергоемкости одноматричного шестеренного пресса / Е. А. Ладыгин, Ю. А. Симакин // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Вып. 47. - Новочеркасск: «Геликон», 2012. - С. 31-36.
3 Симакин, Ю. А. Оценка влияния некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного пресса на качество гранул [Электронный ресурс] / Ю. А. Симакин, Е. А. Ладыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013. - № 1(09). - 9 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=153&id=163.
4 Щербина, В. И. Шестеренные грануляторы / В. И. Щербина, С. В. Щербина. -Ростов н/Д.: «Терра», 2002. - 120 с.
5 Ладыгин, Е. А.Технология и пресс для гранулирования кормолекарственных смесей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Ладыгин Евгений Александрович. -Зерноград, 1992. - 15 с.
6 Щербина, В. И. Деформация корма в процессе гранулирования / В. И. Щербина. - Ростов н/Д.: «Терра», 2002. - 104 с.
7 Симакин, Ю. А. Исследование процесса брикетирования кормов зубчатым рабочим органом: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Симакин Ю. А. - Зерноград, 1977. -28 с.
8 Зорин, А. Ф. Влияние диаметра зубчатых колес на интенсивность процесса сжатия / А. Ф. Зорин, В. И. Щербина, С. В. Тарасенко // Совершенствование процессов и технических средств в АПК / Азово-Черноморская гос. агроинж. акад. - Вып. 3. -Зерноград, 2001.- С. 152-155.
9 Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: «Колос», 1980. - 168 с._
Ладыгин Евгений Александрович - кандидат технических наук, доцент, Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Российская Федерация. Контактный телефон: +7 908 193-09-12. E-mail: evgladigin@rambler.ru
Ladygin Yevgeniy Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Don State Agrarian University, Persianovskiy, Russian Federation. Contact telephone number: +7 908 193-09-12. E-mail: evgladigin@rambler.ru
