Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса совершенствования процесса прессового гранулирования растительных материалов 12
1.1 Реализация прессового гранулирования измельчённого растительного сырья в агропромышленном производстве 12
1.2 Анализ структуры современных вальцово-матричных прессующих механизмов с торсовыми рабочими органами 19
1.3 Анализ основных направлений совершенствования конструкций прессующих механизмов грануляторов с кольцевой матрицей 28
1.4 Анализ подходов к теоретическому и экспериментальному описанию процесса гранулирования кормов в прессах с кольцевой матрицей 42
1.5 Выводы по разделу 52
2 Теоретические основы совершенствования вальцово-матричного пресс-гранулятора кормов с кольцевой матрицей 53
2.1 Анализ напряжённо-деформированного состояния прессуемой массы при её движении в незамкнутом клиновидном рабочем пространстве 53
2.2 Математическое моделирование рабочего процесса и обоснование основных параметров пресс-гранулятора с торцевым ограничением клиновидного рабочего пространства 59
2.2.1 Структурная схема разработки комплексной математической модели процесса прессового гранулирования и его целевая функция 59
2.2.2 Модель структурно-механических свойств прессуемого материала 63
2.2.3 Влияние торцевых контактных поверхностей на предельные характеристики заполняемости клиновидного рабочего пространства 66
2.2.4 Математическая модель силового взаимодействия комбикорма с контактными поверхностями, образующими клиновидное рабочее пространство 71
2.2.5 Определение давления экструзии комбикорма через цилиндрические фильеры матрицы 103
2.2.6 Производительность, энергетические и качественные критерии процесса гранулирования 116
2.3 Выводы по разделу 120
3 Методика экспериментальных исследований 121
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 121
3.2 Характеристика растительных материалов, применяемых в исследованиях 122
3.3 Методика проведения лабораторных исследований 123
3.3.1 Экспериментальная установка, средства измерения и оборудование для проведения исследований 123
3.3.1.1 Устройство для исследования механических свойств прессуемого материала и параметров его напряжённого состояния в модели фильеры 123
3.3.1.2 Экспериментальная лабораторная установка прессового гранулирования 126
3.3.2 Методика исследований на устройстве со сменной фильерой 135
3.3.3 Методика проведения экспериментов на установке прессового гранулирования 138
3.4 Методика проведения производственных исследований 142
3.5 Выводы по разделу 147
4 Результаты экспериментальных исследований 149
4.1 Исследование напряжённого состояния и структурно-механических свойств растительных материалов в сменной модели фильеры 149
4.2 Влияние торцевого ограничения клиновидного рабочего пространства пресс-гранулятора на основные показатели процесса гранулирования 153
4.2.1 Экспериментальная оценка бокового выдавливания прессуемого материала в клиновидном рабочем пространстве пресс-гранулятора 153
4.2.2 Исследование напряжённого состояния комбикорма в замкнутом клиновидном рабочем пространстве 157
4.2.3 Влияние основных факторов прессового гранулирования на производительность, энергетические и качественные показатели процесса 178
4.3 Результаты производственных исследований предложенных пресс-грануляторов с замкнутым клиновидным рабочим пространством 184
4.4 Выводы по разделу 197
5 Реализация результатов исследований 199
5.1 Внедрение в производство предлагаемых технических решений 199
5.2 Оценка экономической эффективности использования предлагаемого пресс-гранулятора в производстве 201
Заключение 210
Список использованных источников 213
Приложения 237
- Анализ структуры современных вальцово-матричных прессующих механизмов с торсовыми рабочими органами
- Математическая модель силового взаимодействия комбикорма с контактными поверхностями, образующими клиновидное рабочее пространство
- Исследование напряжённого состояния комбикорма в замкнутом клиновидном рабочем пространстве
- Оценка экономической эффективности использования предлагаемого пресс-гранулятора в производстве
Анализ структуры современных вальцово-матричных прессующих механизмов с торсовыми рабочими органами
Исследование структуры прессующих механизмов ПГ является основой морфологического анализа их конструкций с учётом выявленных конструктивных и технологических недостатков, позволяя решить отдельные задачи структурного синтеза по совершенствованию рассматриваемых машин.
По структурным признакам современные вальцово-матричные прессующие механизмы экструзионного типа для гранулирования кормов многообразны. Вопросы конструкции (и отдельные аспекты эксплуатации) таких механизмов изложены в работах А. И. Абрамова, Н. И. Полуниной, М. Я. Зицерман [1], Г. Я. Вайс-тиха, П. М. Дарманьяна [16], П. М. Василенко, И. И. Василенко [17], Л. А. Глебова, А. Б. Демского [148], Я. М. Жислина, Б. И. Пикуса [51], А. Н. Кошелева [85], Г. М. Кухты [86], З. М. Кучинскаса, В. И. Особова, Ю. Л. Фрегера [87], С. В. Мельникова [93], А. Я. Соколова [127; 149], R. H. Leaver [189], J. D. Payne [191] и др. За рубежом эти вопросы исследуются в основном непосредственно специалистами крупнейших фирм-производителей прессовой техники и в общедоступной иностранной технической литературе освещены недостаточно широко [172; 196; 201].
Классификация конструктивно-технологических и структурных схем валь-цово-матричных прессующих механизмов для кормов выполнена А. Я. Соколовым [127], Г. Я. Фарбманом [93; 153], В. И. Щербиной [34; 170]. Кроме того, обоснованы и новые варианты прессов [100; 110]. Обобщив исследования этих схем, современные вальцово-матричные ПГ экструзионного типа можно отнести к машинам с торсовыми рабочими органами и разделить на две группы (рисунок 1.2): прессы с гладкой матрицей и шестерённые прессы.
Определение торса как развёртывающейся линейчатой поверхности с ребром возврата, имеющей во всех точках некоторой образующей одну касательную плоскость, охватывает (при рассмотрении тривиальных случаев торса) основные формы контактных поверхностей рабочих органов вальцово-матричных ПГ: цилиндрическую (ребро возврата вырождается в бесконечно удалённую точку), коническую (ребро возврата вырождается в конечную точку) и плоскую (круглый конус с образующей, перпендикулярной его оси, вырождается в плоскость).
В классификации по уровню давления прессования рассматриваемые машины относятся к прессам среднего давления [196; 201] и в целом (при одинаковой глубине преобразований сырья) более эффективны, чем другие прессы кормов.
Шестерённые ПГ (рисунок 1.3) менее энергоёмки по сравнению с другими вальцово-матричными прессами, их рабочие органы имеют высокую захватывающую способность и исключают взаимное проскальзывание [34; 72; 170]. Наибольшими преимуществами обладает схема с внутренним зацеплением зубчатой кольцевой матрицы и зубчатых прессующих вальцов, обоснованная в работах [34; 166], а также нами [72], причём нами предложено выполнять зубья матрицы с разгрузочными скосами. Несмотря на возрастающий интерес исследователей к шестерённым ПГ, они остаются недостаточно изученными, их применение на данный момент ограничено установками класса малой производительности [138]. Из промышленных известны только шестерённые ПГ с внешним зацеплением рабочих органов, серийно выпускаемые компанией Hosokawa Alpine (ФРГ).
Широко применяются вальцово-матричные ПГ, рабочие органы которых – матрица с гладкой контактной поверхностью со сквозной перфорацией фильерами и прессующие вальцы (ролики). Прессующая пара «матрица – прессующий ролик» образует систему, создающую давление (при непрерывном прокатывающем воздействии на полуфабрикат), а фильеры матрицы – систему формирования гранул.
Г. Г. Мусаелянц обобщил эту группу грануляторов, представив её как прессы с тарельчатыми матрицами [100]. Действительно, придавая углу наклона контактной поверхности матрицы к её оси разные значения от 0 до рад, можно получить прессующие механизмы с цилиндрической или конической кольцевой матрицей с внутренней или внешней контактной поверхностью, а также с плоской матрицей.
Вальцово-матричные ПГ с гладкой матрицей и разрабатываемые наряду с ними прессы для брикетирования кормов, независимо от различий, имеют единую структурную основу. Поэтому многие конструктивные решения для брикетиров-щиков кормов распространяются и на прессующие механизмы грануляторов.
ПГ с горизонтальной круглой плоской матрицей менее распространены, несмотря на компактность и то, что плоская матрица значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации. Приводится в движение в них, как правило, блок из 2…6 прессующих роликов (рисунок 1.4). Ключевыми недостатками данных ПГ являются: неравномерный интенсивный износ рабочих органов, дополнительное истирающее воздействие на комбикорм, повышенные энергозатраты вследствие геометрического скольжения цилиндрического (пат. US 1954086 от 10.04.1934) прессующего ролика относительно матрицы; неравномерный износ матрицы, неодинаковая производительность рядов фильер, разное качество гранул в них вследствие изменения захватывающей способности конического (пат. US 1994371 от 12.03.1935) прессующего ролика вдоль его оси. Промышленные модели таких ПГ, выпускаемые, например, компаниями Amandus Kahl [198] и Mnch (ФРГ), Gama Pardubice (Чехия), на отечественных комбикормовых заводах практически не используются [97; 148]. В России плоскоматричные ПГ выпускаются как мини-установки.
Более 90% промышленных грануляторов кормов имеют прессующий механизм с кольцевой матрицей, рабочий процесс в котором реализуется двусторонним прессованием в закрытую перфорированную матрицу или односторонним прессованием в открытую перфорированную матрицу. Первый способ и прессы формующего типа для его осуществления подробно исследованы В. Ф. Некрашевичем [109; 110]. Предложенные им конструкции имеют ограниченную применимость в отношении прессуемых материалов.
Второй способ реализуется в ПГ с внутренним или внешним расположением прессующих роликов относительно контактной поверхности конической или цилиндрической кольцевой матрицы.
C. C. Hall разработал конструкцию ПГ с конической кольцевой матрицей и размещёнными внутри неё коническими прессующими роликами (пат. US 2144054 от 17.01.1939). E. T. Meakin предложил более простую конструкцию с одним роликом (пат. US 2279632 от 14.04.1942). Целесообразность конических рабочих органов обоснована этими авторами возможностью изменения зазора в прессующей паре (во втором случае – по мере износа контактных поверхностей) путём относительного осевого смещения матрицы и водила прессующих роликов. Ось водила может быть установлена в подпружиненной шаровой опоре, что позволяет за счёт выполнения рабочих поверхностей матрицы и роликов коническими регулировать минимальный зазор между ними и нагрузку на них непосредственно при прессовании (а. с. SU 1018858 A1 от 23.05.1983). Известны ПГ с двумя соосными коническими матрицами с внешними контактными поверхностями: с прессующим роликом в форме двойного усечённого конуса (пат. US 2177132 от 24.10.1939); с блоком конических прессующих роликов между матрицами (а. с. SU 944516 A1 от 23.07.1982). В схеме по пат. RU 2031798 C1 от 27.03.1995 конические матрицы с пересекающимися осями примыкают друг к другу внешними контактными поверхностями, выполняя функцию прессующих роликов.
Самой простой считается схема пресса, содержащего цилиндрическую кольцевую матрицу с внешней контактной поверхностью и один или несколько цилиндрических прессующих роликов (пат. US 3723042 от 27.03.1973). Компания Alexanderwerk (ФРГ) производит ПГ с одной матрицей и одним внешним прессующим роликом меньшего (на 20%) радиуса, параллельные оси которых расположены под наклоном к горизонтали, что упрощает выгрузку гранул. Оптимальным вариантом является схема ПГ с двумя вертикальными вращающимися навстречу друг другу матрицами одинакового размера, одновременно выступающими в качестве прессующих роликов (рисунок 1.5).
Математическая модель силового взаимодействия комбикорма с контактными поверхностями, образующими клиновидное рабочее пространство
Взаимодействие прессуемого материала с элементами рабочих органов ПГ опишем в виде двух взаимосвязанных подсистем (рисунок 2.2), исходя из того, что напряжённое состояние полуфабриката формируется при внутренней прокатке в КРП и при экструзии в фильерах матрицы. Условия пластического течения материала в этих двух типах рабочих полостей, составляющих единое рабочее пространство прессующего механизма, существенно различаются. Наиболее сложным является механическое поведение материала при его движении в КРП [68; 196; 214]. В то же время эффективность процесса гранулирования определяется в целом характером изменения напряжений именно в КРП.
В соответствии с положениями механики сплошной деформируемой среды [38; 91; 134] уравнение неразрывности установившегося пластического течения уплотняемого материала в КРП (рисунок 2.1) имеет вид г Э dz j где - плотность слоя прессуемого материала в некоторой точке КРП, кг/м3; r, и Z - радиальная, окружная и осевая компоненты скорости точек элементарного объёма (учитывающие скорость деформации этого объёма), м/с.
Использование уравнения (2.28) для анализа скорости слоя в зонах отставания, экструзии и опережения (при свободной и ограниченной поперечной деформации) предполагает установление закона изменения плотности, зависящей от напряжения гидростатического сжатия материала т в каждой точке КРП.
Вместе с тем оценка параметров напряжённого состояния слоя прессуемого материала в КРП с применением инженерных методов деформационной теории пластичности [38; 144; 147; 151] основана на решении приближённых дифференциальных уравнений движения (преобразованных в уравнения равновесия без учёта массовых сил) совместно с приближёнными условиями (критериями) пластичности. При условии пластичности, не зависящем от , получим (с учётом граничных условий [24; 59] и принятой реологической модели комбикорма) замкнутую систему уравнений относительно неизвестных напряжений. Это не исключает теоретического и экспериментального определения параметров кривых уплотнения комбикорма в КРП (при найденных напряжениях) для решения дополнительных задач.
Пластическое деформирование некомпактных материалов всегда сопровождается изменением объёма [9; 24; 79; 159], то есть пластическая деформация может быть вызвана как девиатором, так и исключительно изотропной составляющей тензора напряжений. Комбикорм, как и ряд других материалов, по-разному сопротивляется сжатию и растяжению, внутреннее трение проявляется и в предельном, и в допредельном состояниях, что требует учёта зависимости деформации сдвига не только от интенсивности касательных напряжений и, но и от напряжения т. Также важно учитывать, что необратимая объёмная деформация в комбикорме осуществляется как под действием напряжения т, так и вследствие дилатансии при сдвиговых напряжениях (которая имеет место на всей поверхности текучести, за исключением точки пересечения с гидростатической осью и линии пересечения с девиаторной плоскостью). Поэтому условие пластичности в общем случае зависит от взаимосвязанных друг с другом инвариантов тензора напряжений, плотности, регулируемой уравнением (2.28), и других параметров состояния. Из анализа многочисленных феноменологических критериев пластичности [24; 45; 104; 131; 132; 155; 159; 164; 167; 185] следует, что применительно к комбикорму (измельчённому, прошедшему влаготепловую обработку) выбор физически адекватного критерия требует частного теоретического и экспериментального обоснования.
Наиболее корректные в нашем случае условия пластичности, вытекающие из энергетической модели предельного состояния, соответствуют замкнутым поверхностям текучести в виде квадратичных или более сложных поверхностей вращения (влиянием третьего инварианта тензора напряжений пренебрегаем). В эти условия, одновременно учитывающие эффект дилатансии, деформационную анизотропию, двойственный механизм необратимой деформации (межчастичное скольжение и пластический сдвиг частиц комбикорма), её локализацию в зонах контакта частиц [24; 45; 50; 131; 155; 159; 164], включены механические характеристики комбикорма, зависящие от его относительной плотности /комп : пределы текучести при гидростатическом сжатии и равномерном всестороннем растяжении, максимальный предел текучести при сдвиге, предел уплотнения (как самостоятельный параметр), доля активного контактного объёма и другие параметры. Для идентификации условия пластичности соответствующие функции плотности (с учётом значений указанных механических характеристик при /комп = 1) подлежат экспериментальному определению для каждого вида гранулируемого комбикорма.
Величина комп характеризует плотность комбикорма в спрессованном (условно компактном) состоянии, однако, за счёт окклюдированного воздуха в остаточных порах она всегда меньше пикнометрической плотности сухого вещества компонентов комбикормовой смеси (включая связанную влагу). Также на практике величина комп ограничена технологическими требованиями к гранулам, условиями гранулирования, от которых зависит максимальное давление прессования. Несмотря на это, обычно комп соответствует тому значению плотности, когда комбикорм уже мало сжимаем, на что указывают высокие значения коэффициента Пуассона (п. 2.2.2) во всём диапазоне возможных значений т .
Процесс деформирования определён последовательностью вложенных друг в друга поверхностей текучестей, относящихся к разным стадиям нагружения. При изменении напряжённого и структурного состояний комбикорма происходит трансформация типа и формы поверхности текучести. По мере уплотнения (при /комп - 1) она плавно вытягивается вдоль гидростатической оси. Сопротивление пластической деформации увеличивается (плотность играет роль упрочняющего фактора). При предельной объёмной деформации, когда /комп =1, а комп - , поверхность текучести вырождается в незамкнутую со стороны положительных значений напряжения т (в октанте сжатия) поверхность, отвечающую для компактного материала цилиндрическому условию пластичности Губера - Мизеса -Генки или более общему условию. В этом случае предел текучести на гидростатическое сжатие стремится к бесконечности, тогда как предел текучести на сдвиг -к конкретной своей максимальной величине.
В связи с изложенным необходимо отметить, что при гранулировании комбикормов с высоким содержанием зерна преобладающей структурной деформацией материала в КРП характеризуется только часть зоны отставания, которая примыкает к радиальному сечению /0 и где влияние контактных напряжений на выходные параметры процесса можно считать ещё относительно небольшим. Анализируя данные по изменению плотности комбикормов в зависимости от давления прессования [93; 110; 152] и фактический характер изменения самого давления прессования в КРП (п. 4.2.2), полагаем, что основной этап уплотнения комбикорма в прессующем механизме до относительной плотности /комп=0,75...0,85 (комп 1300 кг/м3 [28; 93]) происходит при невысоких значениях т (по сравнению с давлением экструзии и средним значением т в зоне экструзии), но достаточно интенсивно. При этом уже в начале зоны отставания относительная плотность 0/комп выше исходной (для рассыпного мучнистого комбикорма) и достигает нижней границы формуемости за счёт уплотнения: в шнековых питателе-дозаторе и кондиционере-смесителе; при формировании прессуемого слоя; в процессе сгруживания обрабатываемой массы на входе в зону отставания с образованием её избытка (запаса), в котором создаётся циркуляционное течение, способствующее повышению плотности. Также учитываем, что существенная (как будет показано ниже) доля материала, участвующего в формировании слоя, прессуется повторно (вследствие бокового выдавливания и расхода в зону опережения), а значит, предварительно уплотнена.
В основной части зоны отставания, где давление прессования возрастает более интенсивно, комбикорм сильнее проявляет пластические свойства и его относительная плотность в среднем уже составляет комп 0,9. Скорость объёмной деформации становится значительно меньше скорости сдвига.
Исследование напряжённого состояния комбикорма в замкнутом клиновидном рабочем пространстве
Очередным этапом настоящих исследований является экспериментальное определение внутренней характеристики процесса прессового гранулирования при движении комбикорма в КРП. Важно установить, как фактически торцевые ограничительные элементы, устраняя боковое выдавливание, влияют на напряжённое состояние прессуемого материала на контактных поверхностях, образующих КРП, поскольку именно от этих контактных напряжений (при известном давлении экструзии) зависят производительность и энергоёмкость пресс-гранулятора, устойчивость прокатывающего действия на слой и стабильность экструзии в фильерах, нагрузка на рабочие органы.
С помощью разработанных силоизмерительных рабочих органов (п. 3.3.1.2) необходимо: установить адекватность полученной математической модели напряжённо-деформированного состояния прессуемого материала в замкнутом КРП; уточнить влияние контактных напряжений на показатели процесса с учётом бокового выдавливания и возможности его устранения; обосновать механизм влияния ограничительных элементов на характер распределения контактных напряжений в тангенциальном направлении и по ширине КРП, а также на захватывающую способность рабочих органов пресс-гранулятора; определить силу сопротивления поперечной деформации прессуемой массы в КРП и соответственно активную силу бокового выдавливания; показать влияние основных факторов непосредственно на силовую характеристику процесса в условиях замкнутого КРП.
Существенные при исследовании торцевого ограничения КРП факторы изменяются в экспериментах в предварительно обоснованных диапазонах.
Выбранные значения конструктивных параметров матрицы и прессующего ролика, определяющих размеры КРП (таблица Е.1), соответствуют классу пресс-грануляторов малой производительности.
В лабораторном пресс-грануляторе радиус и рабочая ширина матрицы имеют фиксированные значения: гм =0,0875 м; 6 = 0,044 м. Для сравнительной оценки напряжённого состояния комбикорма в незамкнутом и замкнутом КРП при других размерах гм и Ь основной интерес представляет величина относительной рабочей ширины матрицы Ь/гм , позволяющая установить соответствие экспериментального пресс-гранулятора всему ряду основных промышленных моделей. В связи с этим проведен анализ соотношения Ь/гм применяемых на практике матриц современных пресс-грануляторов (рисунок 4.4). Из анализа следует, что в среднем величина Ъ изменяется от гм по зависимости
С увеличением ширины матрицы при соответствующем увеличении её радиуса обеспечиваются более высокие значения толщины слоя h0 (при достаточной мощности привода). Параметр Ъ выпускаемых матриц варьирует в некотором диапазоне и при одном и том же радиусе гм. Применение узких или широких матриц обеспечивает возможность гранулирования (с необходимым давлением экструзии) растительного сырья, имеющего более высокую или более низкую степень сопротивления прессованию [171], при одинаковых энергозатратах и нагрузках на рабочие органы; достигаемые при этом значения h0, как правило, не уменьшаются с увеличением Ъ. Таким образом, оптимальные диапазоны изменения относительных параметров b/h0 и 0 ш{Ь/гм) для разных классов пресс-грануляторов (по производительности) и классов матриц (по ширине) считаем сопоставимыми (в отношении распределения напряжений в КРП).
Выбор величины относительного радиуса прессующего ролика кг обоснован оптимальным соотношением энергоёмкости процесса и нагрузок на рабочие органы при данном радиусе матрицы [203; 211]. В связи с этим для п = 1 принято максимально возможное значение кг = 0,74...0,80, при котором условия подачи и формирования устойчивого слоя комбикорма не были нарушены.
Для исследования напряжённого состояния комбикорма при фиксированных размерах КРП лабораторного пресс-гранулятора установлены (на основании изученных рекомендаций и предварительных экспериментов) возможные пределы изменения влажности сырья W - 12…22%; относительной длины фильер к, 6,5…11,5; минимального радиального зазора А - 0,0002…0,0012 м; радиальной высоты контактных поверхностей ограничительных колец hring - 0,005…0,020 м (торцевой зазор А0 =0,0012...0,0015 м); угловой скорости матрицы м - 20…30 рад/с. Уровни подачи комбикорма q в экспериментах выбраны с учётом режима холодного кондиционирования (ґс=30C) и исходя из условий достаточного перекрытия фильер зоной экструзии, допустимого проскальзывания прессующего ролика и отсутствия интенсивного сгруживания массы перед ним.
С помощью силоизмерительных рабочих органов внутренняя характеристика процесса в КРП экспериментально исследована по величине контактных радиальных напряжений в разных его поперечных и продольных сечениях, а также по величине нормальных осевых напряжений в комбикорме. Из распределения этих напряжений определены координаты граничных сечений и размеры зон КРП.
Полученные в экспериментах реализации (осциллограммы) отражают силовую характеристику процесса в виде периодически повторяющихся диаграмм изменения (в пределах цикла) измеряемых напряжений.
На рисунке 4.5 представлены реализации (в координатах «показания тензодатчика - время отсчета») экспериментов с силоизмерительным прессующим роликом при гранулировании комбикорма в незамкнутом КРП.
Сравнивая реализации в разных продольных сечениях незамкнутого КРП, отмечаем подобие соседних эпюр (несимметричных относительно поперечных сечений с максимальными напряжениями), однако, в крайних сечениях (кривые 1 и 3) фиксируемые в каждый момент времени значения нормальных к поверхности ролика напряжений существенно ниже, чем в центральном сечении (кривая 2), -даже при почти одинаковой протяжённости эпюр. Это свидетельствует, в частности, об уменьшении тангенциальных составляющих контактных касательных напряжений по мере удаления от центрального сечения, что создаёт дополнительные условия для боковых утечек прессуемой массы.
В замкнутом КРП реализации нормальных к поверхности ролика напряжений аналогичны рассмотренным выше. Однако, когда свободная поперечная деформация комбикорма ограничена, эпюры в центральном и крайних продольных сечениях практически не различаются по величине напряжений в каждый момент времени, а в районе вершин становятся более пологими.
Несимметричность этих эпюр, указывающая на более протяжённую зону втягивающих элементарных сил трения на поверхности тензоролика, подтверждает, что механизм перераспределения энергии в пресс-грануляторе (между активной матрицей, слоем комбикорма и пассивным роликом) более сложный, чем в машинах прокатывающего типа при наличии неприводного рабочего органа. С увеличением подачи несимметричность эпюр усиливается, что указывает на отсутствие в КРП (при стабильной экструзии) зоны с разным направлением на ролике и на матрице тангенциальных составляющих контактных касательных напряжений.
На реализациях, полученных силоизмерительным ограничительным кольцом, наблюдается неравномерное распределение в тангенциальном направлении нормальных осевых напряжений, определяемых в пределах цикла до момента перекрытия торцом прессующего ролика площадки несущего штифта.
Оценка экономической эффективности использования предлагаемого пресс-гранулятора в производстве
Экономическая оценка результатов проведённых научных исследований предполагает определение экономического эффекта от их производственного освоения.
Теоретически и экспериментально нами установлено, что внедрение разработанной конструкции пресс-гранулятора с торцевыми ограничительными элементами позволяет увеличить его производительность и улучшить качество технологического процесса, сократить удельные затраты энергии, повысить прочностные характеристики гранул, уменьшить износ рабочих органов. В связи с этим экономический эффект достигается за счёт снижения себестоимости гранулированной продукции, улучшения её качества, увеличения объёмов производства (наработки).
Укрупнённый расчёт экономической эффективности выполнен по соответствующим методикам [32; 95] на базе типового комбикормового предприятия, оснащённого пресс-грануляторами предлагаемой конструкции, изготовленными на основе серийного пресс-гранулятора класса средней производительности типа Б6-ДГВ. Для сравнительного анализа пресс-гранулятор типа Б6-ДГВ принят в качестве базового варианта. Рассмотрены два варианта работы нового пресс-гранулятора: с такой же производительностью, как у базового гранулятора, но при меньшей потребной мощности на гранулирование (в дальнейшем – вариант I) и с производительностью, соответствующей уровню потребной мощности базового гранулятора (в дальнейшем – вариант II).
В условиях реального производства установлено, что производительность базового пресс-гранулятора с учётом ассортимента вырабатываемой продукции по рецептуре комбикормов, размеру гранул (повышается спрос на гранулы диаметром менее 6 мм) составляет в среднем 5 т/ч при потребной мощности на гранулирование 75 кВт (при загрузке электродвигателя на 95%). В предлагаемой же конструкции обеспечивается уменьшение потребной мощности (I) или увеличение производительности (II) пресс-гранулятора - в среднем на 26%.
В предлагаемом пресс-грануляторе (за счёт улучшения качества технологического процесса и обеспечения более высокой прочности формируемых гранул) снижается доля несгранулированной фракции комбикорма на выходе из матрицы. На повторное гранулирование этой фракции, поступающей в пресс-гранулятор с рассыпным комбикормом, дополнительно расходуется энергия.
Вследствие уменьшения износа рабочих органов увеличивается их ресурс -по комбикормам в среднем минимум на 18% (по данным проведённых нами производственных испытаний).
Так как при изготовлении предлагаемого пресс-гранулятора за основу взята конструкция базовой машины, то все дополнительные затраты, главным образом, связаны с устройством системы торцевого ограничения клиновидного рабочего пространства, в том числе с изготовлением сменных торцевых ограничительных элементов (колец), обеспечением надёжной системы их крепления в прессующей камере (с возможностью регулирования торцевых зазоров), конструктивными изменениями некоторых деталей и узлов в связи с установкой ограничительных колец. Размер этих затрат применительно к рассматриваемому пресс-гранулятору (при его серийном производстве) составляет 136,0 тыс. руб. (в ценах 2017-2018 гг.), то есть прирост полной себестоимости изготовления пресс-гранулятора АСпг =136,0 тыс. руб.
Тогда средняя рыночная цена нового пресс-гранулятора Цпг(н), руб., определяется по формуле: Ц пг(н) = Ц пг(б) + АС пг [(1 - Н пр )/[(1 - Н дс )(1 -Н пр-кр) где Цпг(б) - средняя рыночная цена базового варианта пресс-гранулятора, руб.; Ндс =0,18 - ставка налога на добавленную стоимость; Н = 0,2 - ставка налога на прибыль; кр = 0,175 - коэффициент рентабельности при среднем уровне спроса на пресс-грануляторы.
Средняя цена базового варианта Цпг(б) =3150 тыс. руб. (в ценах 2017 2018 гг.) принята на основании коммерческих предложений производителей пресс-грануляторов типа Б6-ДГВ (и имеющих аналогичные характеристики).
Исходные данные для расчёта экономической эффективности приведены в таблице 5.1. Анализ осуществляется в расчёте на одну машину при обеспечении сопоставимости вариантов по годовой наработке.
Годовой экономический эффект Э, руб./год, от внедрения предлагаемого пресс-гранулятора в расчёте на его годовую наработку определяется, исходя из сопоставления приведённых затрат по сравниваемым вариантам и с учётом прироста прибыли за счёт улучшения качества продукции: Э = (Зп(б) - Зп(н) ) (н) + (Цк(н) - Цк(б) Кн) , (5.2) где W(н) - годовая наработка гранулированного комбикорма с помощью нового пресс-гранулятора, т/год; Зп(б) и Зп(н) - приведённые затраты на единицу продукции, производимой соответственно базовым и новым пресс-грануляторами, руб./т; Цк(б) и Цк(н) - средние оптовые цены гранулированного комбикорма соответственно прежнего и более высокого качества, руб./т.
На основании данных Федеральной службы государственной статистики о средних ценах производителей комбикормовой продукции с учетом анализа структуры выпускаемых ими гранулированных комбикормов (по видам) принято, что Цк(б) =15,2 тыс. руб./т (в ценах 2017-2018 гг.).
Годовая наработка пресс-гранулятора W, т/год, определяется с учётом доли несгранулированной фракции кнф, возвращаемой на повторное гранулирование:
Ж = Є(1-нф)Фвр, (5.3)
где Q - средняя производительность пресс-гранулятора, т/ч.
Приведённые затраты на единицу продукции Зп, руб./т, представляют собой сумму себестоимости и доли капитальных затрат, относимых на расчётный год:
Зп = С + ЕнК = (С + С) + ЕнК, (5.4)
где К = Цпгкпсм/Ж - удельные капитальные вложения, определяемые по балансовой стоимости пресс-гранулятора, руб./т (коэффициент псм=1,3 учитывает расходы, связанные с приобретением пресс-гранулятора, затраты на строительные работы, монтаж и освоение оборудования); Ен = 0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; С - себестоимость 1 т гранул, руб./т; С - удельные текущие затраты, остающиеся постоянными в связи с внедрением нового пресс-гранулятора, руб./т.
Как следует из таблицы 5.1, при использовании предлагаемого пресс-гранулятора изменения связаны с эксплуатационными затратами денежных средств. Эти удельные затраты, существенно изменяющиеся в результате внедрения нового пресс-гранулятора, представлены в формуле (5.4) в виде составляющей С", руб./т:
С" = Сзп + Сэ + Сто + Сро + Са . (5.5)
Составляющие формулы (5.5) рассчитываются следующим образом. Удельные затраты на оплату труда:
Сзп = ФврЛА/ где Л - число обслуживающего персонала в смену, чел.; ч = 66,9 руб./чел.-ч часовая тарифная ставка аппаратчика комбикормового производства (с учётом премий и надбавок); кс=1,3 - коэффициент обязательных отчислений на социальные нужды.
Удельные затраты на электроэнергию:
Сэ = ЕпгЦэ = (Фвр/Ж)[{К + x)/КПД]Цэ,
где Епг - удельный расход электроэнергии в пресс-грануляторе, кВтч/т; N -потребная мощность на гранулирование, кВт; Nх&7 кВт - мощность холостого хода пресс-гранулятора рассматриваемого класса; КПД = 0,89 - коэффициент полезного действия привода пресс-гранулятора (с учётом КПД электродвигателя и механического КПД); Цэ = 4,76 руб./кВт-ч - средняя стоимость 1 кВтч электроэнергии для сельскохозяйственных товаропроизводителей (в ценах 2017-2018 гг.).
Прочие затраты энергии, в том числе на гидротермическую обработку сырья, в процессе использования нового пресс-гранулятора не изменяются (без учёта таких затрат при повторной обработке несгранулированной фракции).
Удельные затраты на техническое обслуживание и ремонт машины:
С =Кк
где кто(б) = 0,065 и кто(н) = 0,058 - коэффициенты отчислений на эти цели.
Удельные затраты на быстроизнашиваемые детали (рабочие органы):
С ро = Ц м/Р м + Ц об/Р об + Ц огр/Р огр ,
где Цм, Цоб, Цогр и Рм, Роб, Рогр - средняя рыночная цена (с учётом транспортных расходов), руб., и средний ресурс, т, соответственно кольцевой матрицы, комплекта обечаек прессующих роликов, комплекта сменных ограничительных колец.
Удельные затраты на амортизацию оборудования: где ка = 0,125 - коэффициент отчислений на амортизацию пресс-гранулятора.
Результаты расчёта удельных эксплуатационных затрат по вариантам сведены в таблицу 5.2.