CC BY
13
УДК 664.002.5.001.63
ПРИМЕНЕНИЕ ОБЩЕФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭНЕРГОЕМКИХ ПРОЦЕССОВ КОРМОПРИГОТОВЛЕНИЯ
А.К.Курманов
В статье рассмотрено влияние общефизических законов на эффективность технологических процессов винтовых прессующих машин. Показаны возможности повышения эффективности экструдеров на основе законов гидравлики и сопротивления материалов.
Установлены теоретичекие зависимости и проведена их экспериментальная проверка, дана количественная оценка эффективности разработок. Полученные результаты могут использоваться при изготовлении новых кормоприготовительных машин в конструкторских бюро и на перерабатывающих заводах, а также совершенствование имеющегося оборудования.
Ключевые слова: Кормоприготовление, механизация животноводства, винтовые прессующие машины, эффективность процессов, закономерности теоретические и экспериментальные.
Решение сложной научной проблемы по созданию новой техники для повышения эффективности технологического процесса приготовления кормов, является актуальным для современного механизированного животноводства. Эта проблема может быть решена за счет применения винтовых прессующих машин, в том числе экструдеров, способных оказать на обрабатываемый продукт комплексное воздействие. Эти универсальные и многоцелевые машины позволяют получить корма широкого диапазона структурных изменений, благодаря смешиванию на начальной стадии (без разрушения целостной структуры материала), при необходимости брикетированию и гранулированию (корма, адаптирующиеся к физиологическим особенностям животных), экструдирова-нию и экспандированию (при которых изменения свойств кормов имеют глобальный характер).
В процессе экструдирования давление перед фильерой (насадком) достигает 25 МПа, при входе в отверстие фильеры объем резко уменьшается и это приводит к дополнительному росту давления. Естественно предположить, что вязко-пластическое поведение корма приблизится к течению Ньютоновской жидкости.
В этом случае появляется необходимость установления связи между давлением внутри экструдера и расходом сквозь фильеру - задача часто встречающаяся в инженерной практике при истечении жидкости из резервуара через короткие насадки [1].
При входе в насадок струя жидкости сжимается также, как при истечении через отверстие, однако, поскольку она ограничена боковой поверхностью насадка, то образуется кольцевая вихревая область между поверхностями транзитной струи и трубы (рисунок 1).
За сжатым сечением труба расширяется и на выходе заполняет все сечение насадка, при этом длина насадка подбирается такой, чтобы в его пределах могло произойти полное расширение струи. Поэтому на выходе из насадка сжатия нет.
Рисунок 1.Схема движения корма в фильере.
Поскольку скорость потока в сжатом сечении больше, чем на выходе, где давление равно внешнему, то давление в этом сечении меньше, чем внешнее, т.е. образуется вакуум, который повышает расход через насадок по сравнению с истечением через отверстие.
Хотя при наличии насадка появляются дополнительные потери на расширение внутри насадка и трение, они много меньше, чем выигрыш в напоре, который достигается понижением давления в сжатом сечении. Поэтому насадок служит увеличению расхода. Расчетные формулы для насадка опираются на общеизвестное в гидравлике уравнение Бернулли:
V = р
2ё
р
Н + р
р
Р-ё
О = м-
II
2 Е
Р -Р^ Н + р0-р1
Р-Е
(1)
(2)
/
где зн - площадь сечения насадка, мм ; V- скорость, м/с; Н - напор, м; О - расход, м/с; Р0, Р1 - давление на входе в насадок и внутри насадка,
2 3
МПа; [ - вязкость, Н с/м ; р - плотность среды, кг/м ; р - коэффициент пропорциональности, характеризующий кинематические параметры потока.
Коэффициенты расхода для цилиндрического насадка, как и для отверстия, зависят от числа Рейнольдса, а также от относительной длины 1Н / d, (длина и диаметр насадка): М = /(Яен, 1Н /d).
= 0,8 ^ °,82 при Яен>104, это соответствует 1Н = (2,5 ^ 3^. Если представить фильеру как насадок, то можно повысить скорость истечения (и производительность) в 1,32 раза, выдержав соотношения: 1 / d = 3...4, (эффект брандспойта), где 1, d - длина и диаметр фильеры, м.
Эта гипотеза проверялась экспериментальными методами. Для этого была разработана методика экспериментальных исследований, реализация которой осуществлялась на экспериментальной установке (рисунок 2).
Эксперименты проводились в 2 этапа - сравнительные и оптимизационные в соответствии с ГОСТ 13496.0, ГОСТ 13586.3 и ГОСТ 27668., на основе некомпозиционного плана экспериментов Бок-са-Бенкена. В качестве критерия оптимизации выбрали и обосновали удельную производительность. Длина фильер была равна 96, 64 и 32 мм при постоянном диаметре. Этот фактор был одним из четырех других. Результаты экспериментов получены с использованием компьютерной программы "МЛТЬЛБ 6.5". Корпус экструдера представляет собой сосуд, находящийся под давлением, поэтому имеет место действие закона сопротивления материалов для этих условий.
Рассмотрим сложное напряженное состояние, которому подвергается материал цилиндрической части формующей камеры насадка (тонкостенного резервуара), внутри которого находится пластический материал под давлением q (Па) [2]. Боковые стенки и днище резервуара подвергаются равномерно распределенному давлению q.
Давление на днище будет стремиться разорвать цилиндрическую часть по поперечному сечению, давление же на боковые стенки вызовет в них стремление разорваться по образующим цилиндра. Таким образом, если мы выделим из цилиндрической части резервуара прямоугольный элемент ABCD, то этот элемент будет подвергаться растяжению в двух направлениях: напряжениями а' по сечениям, перпендикулярным к образующим, и напряжениями а" по сечениям вдоль образующих (рисунок 3).
Для вычисления напряжений а' и а" воспользуемся методом сечений. Внутренний диаметр цилиндра обозначим D, а толщину стенок I. Считаем, что ? мало по сравнению с D.
Рассечем резервуар сечением на две части и рассмотрим равновесие одной из частей (рисунок 4).
Давление на днище заменим равнодействующей Р, растягивающей цилиндрическую часть резервуара вдоль образующей, и равной:
Р = д
тгРг 4
(3)
Площадь кольцевого сечения (узкая полоска толщиною ? и длиною ~лС), воспринимающего эту силу:
^ « ШВ (4)
Нормальные напряжения в этом сечении:
2 аБ
(5)
, дшВ2 а =
4гшБ 41
Напряжения а", возникающие по площадкам, параллельным образующим цилиндра, найдем выделив в некотором удалении от днища часть резервуара двумя поперечными сечениями шп и ш'п' с расстоянием между ними а и разрезав полученное кольцо по диаметру.
На диаметральную поверхность пластической жидкости передается давление д, равнодействующая которого равна Р1 = qDa. Площадь диаметрального сечения цилиндра (две стенки), воспринимающего это давление, равна F1 =2^а и напряжения в стенках: дБ а дБ
а
На И
(6)
Эти напряжения а'' оказываются вдвое больше, чем а', действующие по кольцевому сечению, следовательно фильеры целесообразно изготавливать на боковой (овальной) поверхности корпуса экструдера.
Таким образом, напряжения а' и а'' - главные напряжения, а третье главное напряжение, действующее на стенку резервуара в радиальном направлении а'''
= - а•
В соответствии с принятой нумерацией главных напряжений обозначим:
а
дВ „ —,а 4г
дВ „, —,а
2г
а.
(7)
Элемент ABCD, вырезанный из стенки цилиндра, находится в условиях объемного напряженного состояния. В условиях такого напряженного состояния работает также материал сферических, конических и других тонкостенных сосудов.
Экспериментальная проверка этой гипотезы проводилась на основе стандартных методик, для этого выбран и реализован план экспериментов Бокса-Бенкена, обоснованы фокторы и уровни их варьирования.
На рисунке 5 приведен общий вид экструдера и вид А. Экструдер состоит из загрузочной камеры 1, винта 2, корпуса 3, фильер 4. В правой части корпуса в конце винтового канала в зоне максимального уплотнения на боковой цилиндрической поверхности выходного торца экструдера выполнены фильеры, они расположены на одинаковом (максимально близком) расстоянии от торца, симметрично на поверхности корпуса экструдера. Количество и размерные характеристики фильер оптимизируются для каждого вида корма и производительности экструдера.
Рисунок 5. Экструдер с боковым расположением фильер
Критерием оценки эффективности процесса является удельная производительность.
В результате проведенных исследований и экономической оценки по стандартной методике установлено:
- гипотеза о Ньютоновском поведении материала в фильерах экструдеров определила возможность повышения производительности оптимальным соотношением длины и диаметра фильер 1-3, что, совместно с другими факторами, повысило общую эффективность экструдирования на 20 - 22,8%;
- использование фундаментального закона о напряженном состоянии стенок сосуда, находящегося под давлением, повысило эффективность экстру-дирования на 26% изготовлением фильер на боковой поверхности корпуса и, тем самым, существенно расширило возможности подобных машин.
Литература:
1. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика. - М.:Колос, 2004.- 213с.
2. Степин, П.А. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1983. -303с.
Курманов Аяп Конлямжаевич, доктор технических наук, доцент Костанайский государственный университет им. А.Байтурсынова Тел. (87142)50-85-80 E-mail: kurmanov_ayap@mail.ru
The article considers the influence of general physical laws on the efficiency of technological processes of screw press machine. The possibilities of improving the efficiency of extrusion on the basis of the laws of hydraulics and strength of materials. Established and carried out according theoretically their experimental verification, a quantitative evaluation of projects. The results obtained can be used in the manufacture of new cars in preparation of feed design offices and processing plants, as well as improvement of existing equipment.
Keywords: Preparation of feed, mechanization of livestock production, screw pressing machines, efficient processes, patterns, theoretical and experimental.
УДК 631.171: 65.011.56-52
РОБОТИЗИРОВАННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТКОРМА СВИНЕЙ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ ИНТЕРНЕТ
И.И.Гируцкий
С.В.Крылов
А.А.Жур
Ю.А.Кислый
М.В.Навныко
Приведены результаты разработки и эксплуатации инновационного оборудования для жидкого кормления свиней, обеспечивающего круглосуточную приготовление и раздачу жидкого корма в соответствии с текущими потребностями животных.
Ключевые слова: компьютеризация, удаленный контроль и управление, жидкое кормление свиней.
Современные объекты автоматизации становятся все более сложными и дорогостоящими, что, в свою очередь, требует качественного и своевременного контроля их состояния. Зачастую, наличие большого количества обслуживаемых систем, их удаленность друг от друга не всегда позволяет в полной мере оценить реальную ситуацию на объектах. Особенно это характерно для сельскохозяйственного производства, характеризующегося значительной удаленностью объектов и значительной ценой отказа оборудования.
