Научная статья на тему 'Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки'

Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
277
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРЕСС / ЭКСТРУДЕР / ЗОНА ЗАГРУЗКИ / КОНИЧЕСКИЙ ШНЕК / ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ / РЫБНЫЕ ОТХОДЫ / РЫБНО-ОТРУБИЕВАЯ СМЕСЬ / PRESS / EXTRUDER / LOADING ZONE / TAPER SCREW / PERFORMANCE / FISH WASTES / FISH-BRAN MIXTURE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Новиков Владимир Васильевич, Орсик Илья Леонидович, Грецов Алексей Сергеевич, Коновалов Владимир Викторович

Изучены способы повышения производительности пресс-экструдера КМЗ-2У за счёт модернизации зоны загрузки с помощью использования шнека с коническим валом при приготовление экструдата из смеси отходов рыбного производства и отрубей (дерти), его термического обеззараживания и снижения влажности. Установлена функциональная зависимость между конструктивными и технологическими параметрами конического шнека и производительностью пресса. По результатам исследования наибольшую производительность обеспечивает шнек с углом конусности вала шнека β=20° при влажности смеси 20-25%. В зависимости от площади фильеры (100-1400 мм2) производительность экструдера может изменяться в интервале 412-483 кг/ч. Изменение влажности с выходом из указанного её интервала уменьшает производительность устройства.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Новиков Владимир Васильевич, Орсик Илья Леонидович, Грецов Алексей Сергеевич, Коновалов Владимир Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF FISH-BRAN MIXTURE MOISTNESS AND THE EXTRUDER DIE AREA ON ITS PERFORMANCE UNDER DIFFERENT SCREW TAPER OF THE LOADING ZONE

The ways to improve the press-extruder CMH-2U performance by modernizing the loading zone, using the screw with a conical shaft, when preparing the extrudate from the mixture of fish waste products and bran (derty), its thermal disinfection and its moistness reduction, have been studied. The functional dependence of the structural and technological parameters of the conical screw and the press extruder performance has been determined. The results of the study show that the best performance is achieved with the screw shaft taper angle of β=20°C and the mixture moistness of 20-25%. Depending on the die area (100-1400 mm2), the extruder performance may vary in the range of 412-483 kg/h. The mixture moistness change with its release from the specified interval reduces the performance of the device.

Текст научной работы на тему «Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки»

Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки

В.В. Новиков, к.т.н., профессор, И.Л. Орсик, аспирант, А.С. Грецов, к.т.н, ФГБОУ ВО Самарская ГСХА; В.В. Коновалов, д.т.н. профессор, ФГБОУ ВО Пензенский ГТУ

Обеспечение животных сбалансированными и качественными кормами является залогом экономической эффективности их производства [1—4]. Для интенсивного роста продукции животноводства требуются концентрированные корма, в т.ч. комбикорма, для производства которых необходимы белковые корма [5, 6]. Основным белковым кормом животного происхождения является рыбная мука. Нехватку этого компонента комбикормов можно частично компенсировать путём использования просроченной рыбы и отходов рыбного производства. Однако данные продукты требуют термического обеззараживания и снижения влажности для повышения сроков сохранности. Приготовление экструдата из смеси отходов рыбного производства и отрубей (дерти) позволит приготовить обеззараженный корм с влажностью менее 30%.

В случае производства кормов на ферме создаётся возможность обеспечения животных качественными и сбалансированными концентрированными кормосмесями [7, 8]. При этом используемое оборудование должно обеспечивать наибольшую производительность. Основу возможного повышения производительности экструдера составляет повышение влажности продукта и снижение трения материала о поверхность пресса, что уменьшает величину потребляемой мощности установленного штатного электродвигателя экструдера. Рост производительности экструдера способствует и снижению энергоёмкости процесса приготовления кормосмеси [1, 3].

Цель исследования — повышение производительности пресс-экструдера КМЗ-2У за счёт модернизации зоны загрузки с помощью использования шнека с коническим валом.

Основная задача исследования заключалась в установлении функциональной зависимости между конструктивными и технологическими параметрами конического шнека и производительностью пресса.

Материал и методы исследования. Конструктивно-технологическая схема модернизированного пресс-экструдера КМЗ-2У представлена на рисунке 1 [7, 8]. Пресс-экструдер состоит из привода и рамы, на которой установлен пресс, состоящий из кожуха 2, вращающегося вала 3 с установленными на нём несколькими секциями шнека 4. Между секциями шнека 4 установлены изнашиваемые

кольца 5 с греющими шайбами 6. На выходе из экструдера расположена коническая головка 7 с кожухом 8. Закрывает выход из внутреннего пространства матрица. Снаружи неё размещён регулировочный диск 9 с рукояткой. Внутри матрицы и регулировочного диска оборудованы бобообразные (иногда кольцевые) отверстия (фильеры). Подачу материала в пресс обеспечивает разработанный шнековый дозатор-питатель 10, подающий обрабатываемую массу в зону загрузки экструдера к модернизированному конусному шнеку 1.

Работает экструдер следующим образом. При подаче шнеком дозатора-питателя 10 исходной смеси она поступает из него сверху в приёмную камеру питателя экструдера с установленным в ней конусным шнеком 1.

Масса захватывается конусным шнеком 1 и подаётся к шнеку экструдера 4. При этом материал поджимается, выдавливается воздух между частицами материала. Уже в зоне прессования материал сжимается до необходимого давления, повышая свою температуру за счёт сжатия и трения о стенки внутреннего канала пресса.

В процессе перемещения материала между шнеком 4 и кожухом экструдера 2, между кожухом и краями витков шнека происходит дополнительное перемещение материала из одного межвиткового пространства в другое. Это способствует его дополнительному нагреву и разрушению крупных частиц. Избыточное давление приводит к снижению вязкости и повышению подвижности материала, что способствует быстрому выходу обработанного материала из зоны прессования [9].

Наличие кольцевых зазоров между греющими шайбами и изнашиваемыми кольцами снижает давление в канале на основе действия уравнения Бернулли. За счёт этого в следующей секции экс-трудера появляется возможность дополнительного механического разрушения материала и повышения усвояемости корма. Полученный в результате термомеханической обработки материал продавливается сквозь фильеры (отверстия) матрицы и регулировочного диска. Резкий перепад давления к атмосферному способствует закипанию влаги и дополнительному разрыву внутренних связей, что повышает питательность корма.

Количественным показателем технологического процесса является производительность экструдера в штатном режиме работы на исследуемом материале. В данном случае экструдируются смеси рыбных отходов и отрубей. В проведённых лабораторных исследованиях использовалось три смеси с раз-

9 8 7 4 6 5 2 \ / 10

отрубями:

1 - конусный шнек; 2 - кожух пресса; 3 - вал шнекового пресса; 4 - шнек пресса; 5 - греющая шайба; 6 -изнашиваемое компрессионное кольцо; 7 - коническая головка; 8 - корпус головки; 9 - матрица с регулировочным диском и рукояткой; 10 - шнековый дозатор-питатель; -<■-----движение перерабатываемого материала

а)

б)

в)

Рис. 2 - Набор экспериментальных конусных шнеков-питателей пресс-экструдера: а) - угла конуса Р - 10°; б) - угла конуса Р - 20°; в) - угла конуса Р - 30°

личным соотношением в них рыбных отходов и отрубей и соответственно различной влажности W, %. Величина открытия фильеры (площадь окна Бф, мм2) регулировалась положением рычага заслонки у фильеры. При этом был установлен один из конусных шнеков (рис. 2) c углом конусности вала Р, град. [10].

Длительность забора выгружаемой массы после начала установившегося режима работы экструде-ра составляла 30 сек. Взвешивание выгруженной массы производили с точностью до 5 г. Производительность определяли делением собранной массы материала на длительность её сбора. Повторность трёхкратная [8].

Для получения статистической регрессионной модели производительности экструдера реализован полный факторный эксперимент 23. Уровни варьирования независимых факторов и полученные средние значения производительности 0 экструдера по трём повторностям замеров указаны в таблице.

Там же приведена матрица планирования эксперимента (в натуральном и кодированном виде) и полученные в ходе реализации опытов данные [7].

Дальнейшую обработку полученных данных и проверку на адекватность модели проводили по общепринятой методике [10].

Результаты исследования. В результате обработки представленных в таблице данных было получено уравнение регрессии производительности экструдера указанного типа в кодированном виде, адекватно описывающие процесс при экс-трудировании смесей рыбных отходов и отрубей:

0 = 448,25 - 2,3X + 36,37 + 3,77 - 5,106 X2 -0,90672 - 5,70672 - 0,7577 + 0,25Х7г,

где X =

в-20 .

; 7

Бф - 750

; г =

Ж - 22,5

(1)

(2)

10 650 7,5

Наиболее значим линейный фактор площади фильеры, меньше влияние влажности (с её ростом

Результаты эксперимента по исследованию производительности пресса

Х0 р / * / Х2 Ш / Х3 Х х2 Х3 ХЛ Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3 Q, кг/ч

1 10/-1 100/-1 15/-1 1 1 1 1 1 -1 378

1 30/1 100/1 15/-1 1 1 1 -1 1 -1 362

1 10/-1 1400/1 15/-1 1 1 -1 1 -1 1 488

1 30/1 1400/1 15/-1 1 1 1 -1 -1 -1 481

1 10/-1 100/-1 30/1 1 1 1 -1 -1 1 385

1 30/1 100/-1 30/1 1 1 -1 1 -1 -1 382

1 10/-1 1400/1 30/1 1 1 -1 -1 1 1 495

1 30/1 1400/1 30/1 1 1 1 1 1 1 490

1 10/-1 750/0 20/0 1 0 0 0 0 0 0 519

1 30/1 750/0 20/0 1 0 0 0 0 0 0 428

1 20/0 100/-1 20/0 0 1 0 0 0 0 0 380

1 20/0 1400/1 20/0 0 1 0 0 0 0 0 495

1 20/0 750/0 15/-1 0 0 1 0 0 0 0 421

1 20/0 750/0 30/1 0 0 1 0 0 0 0 443

1 20/0 750/0 20/0 0 0 0 0 0 0 0 432

Рис. 3 - Производительность пресс-экструдера в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности смеси W, при фиксированных значениях угла конуса Р: 1 - р = 10°; 2 - Р = 20°; 3 - Р = 30°

109 ||5! 1400

Площадь выходного сечения фильеры мм2

Рис. 4 - Производительность пресс-экструдера (кг/ч) в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности Wпри фиксированном значении угла конуса Р = 10°

ЗОтг

4 10 4 1 4- 1 1 50

1 №. (20 ВН г 40 Я 60 4 1 480 70 \

40 \ \ 470

7.50

ТШ

Рис. 5 - Производительность пресс-экструдера (кг/ч) в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности смеси W, при фиксированном значении угла конуса Р = 20°

Рис. 6 - Производительность пресс-экструдера в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности W, при фиксированном значении угла конуса р = 30°

увеличивается подача) и имеется небольшое влияние угла конусности вала шнека.

После подстановки уравнений (2) в (1) получим уравнение регрессии для производительности экструдера в зависимости от выбранных независимых параметров в раскодированном виде [8]: 0 = 322,56 +1,899р + 0,0655ф +

+5,25Ж - 0,051р2 - 0,00000215ф --0,051Ж2 - 0,00012р5ф - 0,0038р Ж -

-0,000265фЖ + 0,0000051р5фЖ, (3) где Р — угол конуса, град.;

Sф — площадь выходного сечения фильеры, мм2;

Ж — влажность, %.

Для проведения графического анализа полученной регрессионной модели (3) зафиксируем угол конусности вала шнека на одном из его экспериментальных значений [10].

В результате, фиксируя угол конусности вала шнека на трёх выбранных уровнях, получим три уравнения регрессии [7]:

0р=10 = 336,44 + 0,0645, + 5,212Ж -^ ф (4)

-0,00000215"1 - 0,101Ж2;

gß=2o = 340,11 + 0,0635ф + 5,174W -

-0,00000215^ - 0,101W2; Q13=30 = 333,57 + 0,0615ф + 5,135W --0,000002151 - 0,101W2.

(5)

(6)

Для визуального представления полученных уравнений, представляющих собой криволинейные поверхности, в координатах [¿ф; Ж] построим уравнения (4), (5) и (6) (рис. 3).

Рассматривая каждую поверхность в отдельности в сечении плоскостями с шагом в 10 кг/ч, получим графики, изображённые на рисунках 4—6.

Из графического анализа полученных данных видно, что характер изменения всех поверхностей одинаков. Однако при угле конусности вала шнека Р =10° наблюдается максимум производительности О и 480 кг/ч; при Р = 20° наблюдается максимум производительности О>480 кг/ч; при Р = 30° — максимум О <480 кг/ч.

Вывод. Наибольшую производительность обеспечивает шнек с углом конусности вала шнека ß = 20° при влажности смеси 20—25%. В зависимости от площади фильеры (100—1400 мм2) производительность экструдера может изменяться в интервале 412—483 кг/ч. Изменение влажности с выходом из указанного её интервала уменьшает производительность устройства.

Литература

1. Коновалов В.В. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса / В.В. Коновалов, В.В. Новиков, Д.В. Беляев, Л.В. Иноземцева // Нива Поволжья. 2010. № 2. С. 51-56.

2. 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).

3. Новиков В.В. Результаты экспериментальных исследований модернизированного экструдера зерна КМЗ-2,0У / В.В. Новиков, В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева, Д.В. Беляев // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2010. № 3. С. 70-76.

4. Полищук В.Ю., Ханин В.П., Зубкова Т.М. Экспериментальное исследование поведения прессуемого материала в одношнековом прессующем механизме экструдера // Совершенствование технологических процессов пищевой промышленности и АПК: тезисы доклад. Росс. науч.-технич. конф. Оренбург, 1996. 116 с.

5. Орсик И.Л. Повышение питательности экструзионной переработки отрубей // Научно-методический журнал XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. 06 (22). Пенза: ПензГТУ, 2014. С. 82-85.

6. Зубкова Т.М., Корякина М.А. Математическое моделирование процесса экструдирования с оттоком жидкой фазы // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: матер. VIII всерос. науч.-практич. конф. (с междунар. участием). Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. С. 95-96.

7. Пат. № 131948 Российская Федерация, МПК7 А23К1/00, B02C13/00. Экструдер для приготовления кормовой массы /

B.В. Новиков, В.В. Коновалов, И.Л. Орсик, А.Л. Мишанин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. № 2013112063/13; заявл. 18.03.13; опубл. 10.09.13. Бюл. № 25. 5 с.: ил.

8. Орсик И.Л., Грецов А.С. Результаты экспериментальных исследований экструдирования смеси рыбных отходов и отрубей // Перспективы инновационного развития АПК: матер. междунар. науч.-практич. конф. в рамках XXIV Международной специализированной выставки АгроКомплекс-2014. Часть II. Уфа : Башкирский ГАУ, 2014. С. 109-114.

9. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.: ил.

10. Орсик И.Л. Обоснование рационального состава смеси рыбных отходов с отрубями для экструзионной переработки // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сб. матер. Всерос. науч.-практич. конф. Том 2. Пенза: РИО ПГСХА, 2014.

C. 211-213.

Динамические характеристики стебля подсолнечника

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

Техническими условиями на уборку подсолнечника зерноуборочными комбайнами предусмотрено, что потери семян за жаткой при уборке не должны превышать 2,5% от фактической урожайности [1]. Однако не все жатки и приспособления

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

для уборки подсолнечника обеспечивают данное условие. Это можно объяснить многими факторами, среди которых — использование жаток, не предназначенных для уборки подсолнечника, несовершенство конструкции приспособлений, не учитывающих частные особенности уборки, недостаточно точная регулировка элементов жатки или адаптера.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.