CC BY
40
25 i
¿20 ■
£
gl 5 ч
310 -
X
л
s
£5
1
\
¿ï"1
0 50 100 150 200 250 300
Наработка автомобиля, L. тыс. км
Рис. 2 - Определение наработки начала диагностирования
стью 75—110 тыс. км необходимо проводить первое диагностирование, а с периодичностью 20—40 тыс. км — последующие диагностирования автотракторных генераторов.
3. С использованием экспериментальных значений вероятности безотказной работы автотракторных генераторов были получены окончательные значения периодичности. Для обнаружения скрытых отказов автотракторных генераторов необходимо проводить первое диагностирование предлагаемым методом при наработке 1)д =105 тыс. км, и далее постоянно, с установленной периодичностью диагностирования ЬД = 30 тыс. км.
Литература
1. Пузаков А.В., Филатов М.И. Экспресс-метод диагностирования автомобильных генераторов // Научное обозрение. 2015. № 16. С. 190-199.
2. Пузаков А.В. Обоснование диагностических параметров автомобильных генераторных установок // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 10 (171). С. 158-163.
3. Пузаков А.В., Филатов М.И. Теоретические аспекты определения допустимого значения диагностического параметра автомобильного генератора // Информационные технологии и инновации на транспорте: матер. 2-й Междунар. науч.-практич. конф., под общ. ред. д.т.н., проф. А.Н. Новикова. Орёл: ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева», 2016. С. 228-236.
Рис. 3 - Корректировка периодичности диагностирования
4. Пузаков А.В., Филатов М.И. Апробация методики диагностирования автомобильных генераторов в условиях сервисного предприятия // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации: сборник материалов Междунар. науч. конф., посвящ. 60-летию Оренбургского государственного университета. Оренбург: ООО «ИПК «Университет», 2015. С. 120-124.
5. Мирошников Л.В., Болдин А.П., Пал В.И. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. М.: Транспорт, 1977. 264 с.
6. Малкин В.С. Техническая диагностика: учебное пособие. СПб.: Лань, 2013. 268 с.
7. Харазов А.М., Кривенко Е.И. Диагностирование легковых автомобилей на станциях технического обслуживания. М.: Высш. шк., 1987. 271 с.
8. Харазов А.М., Цвид С.Ф. Методы оптимизации в технической диагностике машин. М.: Машиностроение, 1983. 132 с.
9. Харазов А.М. Диагностическое обеспечение технического обслуживания и ремонта автомобилей. М.: Высш. шк., 1990. 205 с.
10. Токарев А.Н. Основы теории надёжности и диагностика: Учебник для студентов автотранспортных специальностей. Барнаул: Изд. АлтГТУ, 2008. 168 с.
11. Филатов М.И., Пузаков А.В. Методика оценки и прогнозирования остаточного ресурса автомобильных генераторов // Автотранспортное предприятие. 2016. № 8. С. 48-50.
Разработка математической модели экструзии зернового белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на шнековом пресс-экструдере
Д.В. Мартынова, аспирантка, В.П. Попов, к.т.н., С.Ю. Соловых, к.т.н., С.В. Кишкилёв, аспирант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ; В.А. Шахов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
В последнее время шнековые пресс-экструдеры всё чаще применяются для производства кормов и кормовых добавок. Однако данный вид оборудования отличается высокой энергоёмкостью,
ресурсозатратностью, а готовый кормовой продукт не всегда отличается высоким качеством [1].
Основными компонентами сырья, из которого изготавливают кормовые продукты, являются белки, клетчатка и крахмал. В процессе экструзионной обработки белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья происходят значительные структурно-механические и химические изменения перерабатываемого материала [2].
Установлено, что функциональные свойства экструзионных продуктов зависят от параметров процесса — производительности экструдера, угловой скорости шнеков и их геометрии, размеров структурирующих фильер, температуры проведения процесса, влажности экструдируемого сырья, его химического и гранулометрического состава [3].
Анализ физико-химических процессов, происходящих при экструзии белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья, показывает, что такие рекомендуемые величины параметров, как влажность и максимальная температура экструдируемого сырья, после их определения на основе методов оптимизации можно непосредственно перенести с лабораторного на промышленный экструдер. С другой стороны, такие рекомендуемые величины, как диаметр фильеры, степень сжатия и угловая скорость шнека, перенести с лабораторного на промышленный экструдер сложно, так как это влечёт значительные изменения параметров процесса. Это свидетельствует о необходимости математического моделирования процесса экструзии [4].
Интенсивная разработка математических моделей процесса экструзии началась за рубежом и в бывшем СССР после работ Д.Ф. Карлея, Р.А. Штруба, Р.С. Маллока, Д.М. Мак-Келви, К. Джексона и др. [5].
Наиболее точно реальную физическую картину процесса экструзии отражают реологические модели. Сложность описания поведения прессуемого материала при экструдировании в одношнековых прессах заключается в изменении его свойств во время прессования [6].
Особенности реологических моделей материалов растительного и животного происхождения были рассмотрены в работах Н.Б. Урьева и М.А. Талейс-ника, Ю.А. Мачихина и С.А. Мачихина, А.В. Гор-
батова. Математические модели, посвящённые изменениям реологических свойств белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья в процессе экструзии, представлены в работах Т.М. Зубковой и В.П. Ханина [7].
Проведённый анализ теорий процесса экс-трудирования показывает, что они направлены на определение основных технико-экономических параметров. В большинстве приведённых моделей материал рассматривается как упруго-вязко-пластичное тело, вместе с тем сырьё поступает в экструдер в сыпучем состоянии. Таким образом, можно сделать вывод, что процесс преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичный недостаточно изучен. Математические модели не учитывают структурно-механических преобразований, происходящих в экструдируемом материале [8].
Цель исследования — разработать математическую модель, которая позволяет учитывать структурно-механические преобразования в перерабатываемом материале в процессе его превращения от сыпучего до упруго-вязкого.
Материал и методы исследования. С целью разработки математической модели процесса экструзии, позволяющей учитывать структурно-механические преобразования в перерабатываемом материале в процессе его превращения от сыпучего до упруго-вязкого, лабораторная установка шнекового пресс-экструдера была условно разделена на три зоны: зона загрузки, зона плавления и зона дозирования (рис.) [9].
На расстоянии 0,08, 0,3 и 0,6 м от загрузочного устройства 1 установлены измерительные устройства для измерения крутящих моментов в конце каждой зоны, состоящие из цилиндрической насадки 6, гибкого элемента 8 и наклеенных с двух сторон тензодатчиков 7 [10].
Рис. - Схема лабораторной установки:
1 - загрузочное устройство; 2 - корпус пресса; 3 - шнек; 4 - формующая головка; 5 - привод прессующего шнека; 6 - цилиндрическая насадка для измерения крутящего момента; 7 - тензодатчик; 8 - гибкий элемент, на который с двух сторон наклеиваются тензодатчики; 9 - аналого-цифровой преобразователь; 10 - компьютер; 11 - датчики для измерения температуры
В зоне загрузки из-за неполного заполнения межвинтового канала шнека перерабатываемым материалом никаких преобразований в материале не происходит. Измерительное устройство, расположенное на расстоянии 0,08 м от загрузочного устройства 1, позволяет судить по величине крутящего момента в конце зоны загрузки о виде перерабатываемого материала с точки зрения его структурно-механических свойств. При полном заполнении межвинтового канала шнека перерабатываемым материалом происходит переход от зоны загрузки в зону плавления.
В зоне плавления материал ведёт себя как сыпучее тело. По мере его разогревания частицы сыпучего тела всё более выраженно контактируют между собой. При этом наблюдается их истирание и увеличение адгезионных свойств. Измерительное устройство, расположенное на расстоянии 0,3 м от загрузочного устройства 1, позволяет судить по величине крутящего момента в зоне загрузки о степени расплавленности материала. В конце зоны плавления происходит превращение перерабатываемого материала в упруго-вязкое однородное тело.
В зоне дозирования материал ведёт себя как упруго-вязкое тело. Измерительное устройство, расположенное в районе формующей головки 4 на расстоянии 0,6 м от загрузочного устройства 1, позволяет судить по величине крутящего момента в зоне загрузки о плотности продукта на выходе из экструдера и, как следствие, о качестве вырабатываемой продукции.
Сигналы, поступающие от устройств для измерения крутящего момента, регистрируются на аналого-цифровом преобразователе 9 и затем передаются в компьютер 10, где преобразуются в численные значения измеряемой величины [6].
Результаты исследования. При составлении математической модели процесс экструзии был разбит на два этапа: пластификация материала и его дозирование.
Для каждого этапа разработана математическая модель. В связи с тем что в зоне загрузки практически никаких преобразований в перерабатываемом материале не наблюдается и энергозатраты близки к 0, составление математической модели для этой зоны не имеет смысла.
При разработке математической модели, описывающей пластификацию материала, с учётом того, что материал ведёт себя как сыпучее тело, за основу были взяты предположения Дарнелла и Мола: отдельные твёрдые частицы ведут себя подобно сплошной среде и по сути представляют собой твёрдую пробку, находящуюся в контакте со всей стенкой межвинтового канала.
При этом Дарнеллом и Молом было получено уравнение профиля давления в межвинтовом канале, которое записывается следующим образом:
P(x) = P0 exp где a = tan(0 + ф) =
fb
1 - afs {a1 +1)1/2 Ub sin ф Ub cos ф — U
- f
W — 2H W
(1)
Ф — угол наклона витков шнека;
6 — угол, определяющий направление движения
твёрдого материала;
ub — скорость цилиндра;
usx — скорость твёрдого слоя;
P0 — давление при х =0;
х — расстояние от загрузочного устройства до измерительного элемента; f — динамический коэффициент трения на поверхности шнека;
fb — динамический коэффициент трения на поверхности цилиндра; W — расстояние между витками шнека; H — глубина канала.
Согласно законам теоретической механики крутящий момент в каждом поперечном сечении можно определить по формуле:
мx = T-^TI (D + D) • (D2 — D2) • Px , (2)
8 • cos ф
где ф — угол наклона витков шнека; Dd — наружный диаметр шнека; Ds — внутренний диаметр шнека. Преобразуя формулы (1) и (2), получим расчётный суммарный крутящий момент в конце зоны плавления:
M пл =
пP0 • (Dd + D) • (Dd2 — D2) /8• cos2
• exp
fb
fb
1 — af, — W — 2H
1/2 f W
W — 2H ^
(a2 +1) 1 — af
(a2 +1)1'
- f
W
• H
x H
(3)
При разработке математической модели, описывающей зону дозирования, с учётом того, что в этой зоне перерабатываемый материал ведёт себя как упруго-вязкое тело, движение белково-клетчатко-крахмалосодержащего материала наиболее полно описывается реологической моделью Максвелла. Реологическое уравнение Максвелла имеет вид:
т т
* = (4)
где О — модуль упругости; "Л — вязкость;
т — скорость изменения касательного напряжения.
Учитывая уравнения, полученные Т.М. Зубко-вой для нормальных и касательных напряжений, воздействующих на материал в прессующем механизме, было выведено уравнение для расчёта крутящего момента в зоне дозирования:
M3 =
ю'э • Гш • cos a-(G — 0,5п hs) + hs 2,5 • hs (G — 0,5n hs — n)
2kx1r 2, (5)
где Я = 2( 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 ■ Я12, (6)
где Ь1 - длина зазора между шнеком и внутренним диаметром насадки; В.{ - расстояние до зазора. С учётом уравнения Максвелла получаем измеряемый крутящий момент в каждой зоне:
Мп = (у-п)
1 - е '
2кЬ1 ■ Я12
(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 ГАУ им. 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.
