Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Значение и место уплотнения кормов в системе кормопроизводства 7
1.2. Технология заготовки грубых кормов в уплотненном виде 9
1.2.1. Способы заготовки прессованных кормов 12
1.3. Существующие виды прессов для получения кормов в уплотненном виде 16
1.3.1. Прессы с вальцовыми рабочими органами 18
1.3.2. Штемпельные пресс-брикетировщики 25
1.3.3. Роторные пресс-брикетировщики 29
1.4. Выводы по главе 35
2. Теоретическое обоснование конструктивно-кинематических параметров роторного пресс-брикетировщика 37
2.1. Определение давления прессования в криволинейной камере 37
2.2. Определение удельной работы процесса прессования сено-соломистых материалов в криволинейной камере 45
2.2.1. Определение удельной работы сжатия материала 45
2.2.2. Определение удельной работы на преодоление сил трения материала о стенки камеры прессования 49
2.2.3. Определение удельной работы, необходимой для проталкивания готового брикета 53
2.3. Влияние реологических свойств материала на процесс формирования брикетов 55
2.4. Определение конструктивных параметров брикетного пресса 61
2.4.1. Определение основных параметров брикетного пресса 61
2.4.2. Расчёт заслонки 63
2.5. Выводы по главе 66
3. Программа и методика экспериментальных исследований 67
3.1. Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья 67
3.2. Экспериментальные исследования по определению коэффициентов основного уравнения прессования 70
3.2.1. Описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров 70
3.3. Эксперимент по исследованию рабочего процесса брикетного пресса... 78
3.3.1. Описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров 78
3.3.2. Порядок проведения опытов 82
3.3.3. Выбор факторов 86
3.3.4. Методика планирования эксперимента 88
4. Анализ экспериментальных исследований 90
4.1. Исследование плотности от давления прессования 90
4.2. Анализ эксперимента по определению давления прессования 92
4.3. Анализ результатов эксперимента по определению реологических свойств материала 98
4.4. Удельная работа процесса прессования 99
4.5. Плотность брикетов 108
4.6. Крошимость брикетов 110
4.7. Решение многокритериальной задачи 117
4.8. Выводы по главе 121
5. Экономическая эффективность использования результатов исследования 122
5.1. Расчет годовой экономии эксплуатационных затрат 123
Общие выводы : 129
Список использованной литературы 131
- Способы заготовки прессованных кормов
- Определение давления прессования в криволинейной камере
- Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья
- Анализ эксперимента по определению давления прессования
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране наметился некоторый рост производства в отрасли животноводства. Основой его стабилизации и дальнейшего развития является создание прочной кормовой базы. Несбалансированность и низкая питательная ценность кормов в животноводстве приводят к снижению продуктивности животных и перерасходу корма. Следовательно, максимальное сохранение питательных веществ кормовых культур и получение из них кормов высокого качества -важнейшие задачи кормопроизводства и кормоприготовления.
Одним из выходов из создавшейся ситуации является использование гранулированных и брикетированных кормов. Спрессованные корма лучше сохраняются, удобны в хранении, транспортировке, дозированной выдаче и т.д.
Однако использование уплотнённых кормов ограничивается достаточно высокой энергоёмкостью процесса прессования. Поэтому исследования, направленные на снижение затрат энергии при уплотнении, имеют важное народнохозяйственное значение.
Использование технологии заготовки кормов в прессованном виде прямо зависит от технологического совершенства оборудования, используемого для основной операции, и параметров режима прессования. Анализ информации в области технологии брикетирования кормов выявил перспективность использования роторного пресс-брикетировщика.
Цель исследования — повышение эффективности производства брикетированных кормов путём совершенствования конструкции роторного пресс-брикетировщика.
Объект исследования — процесс брикетирования в криволинейной камерой прессования.
Предмет исследования: закономерности технологического процесса брикетирования волокнистых кормов в криволинейной камере. Методы исследований. Решение поставленных научных задач реализовывалось на основе теоретических методов: основных законов механики, законов уплотнения материалов, дифференциального и интегрального исчисления, методов математической статистики и планирования эксперимента.
Научная гипотеза заключается в том, что повышение эффективности прессования кормов возможно за счёт комбинирования конструктивных признаков и положительных свойств штемпельного и вальцевого прессов.
Научная новизна. Получены расчётная модель и теоретические зависимости, определяющие параметры процесса прессования волокнистых материалов в криволинейной камере прессования. Разработан новый метод определения коэффициентов основного уравнения прессования, характеризующих физико-механические свойства кормовых материалов.
Разработана конструкция брикетного пресса, имеющего признаки штемпельного и кольцевого, с применением криволинейной камеры прессования, которая позволяет достичь снижения удельных затрат энергии, потребной на процесс прессования.
Получены экспериментальные зависимости удельной работы брикетного пресса от конструктивно-кинематических параметров и физико-механических свойств материала.
Новизна конструкторской разработки подтверждена положительным решением по заявке на изобретение № 2007114855.
Практическая ценность:
- на основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения затрат энергии на прессование кормового материала и методика экспериментального определения коэффициентов основного уравнения прессования с и т.
- результаты исследований позволили определить конструктивно-кинематические параметры пресс-брикетировщика, обеспечивающие снижение энергоемкости процесса прессования и получение готового продукта, отвечающего требованиям ГОСТов и зоотехническим рекомендациям.
Апробация. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях:
- Межрегиональный смотр-конкурс на лучшую аспирантскую научную работу по направлению «Агроинженерия», секция «Технологии и средства механизации сельскохозяйственного производства» (Красноярск, Красноярский ГАУ, 2007);
- Всероссийский смотр-конкурс на лучшую аспирантскую научную работу по направлению «Агроинженерия», секция «Технологии и средства механизации сельскохозяйственного производства» (Москва, МГАУ, 2007);
- Международная научно-практическая конференция «Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обслуживание сельхозтоваропроизводителей Сибири», секция «Машинно-технологическое обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири» (Новосибирск, СибИМЭ, 2008);
- научно-технические конференции в Алтайском государственном аграрном университете (2007, 2008).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах.
Данная работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете в 2005 - 2008 гг.
Способы заготовки прессованных кормов
Многие современные технологические процессы приготовления предусматривают уплотнение различных кормов и смесей в гранулы или брикеты: травяной муки и резки, комбикормов, полнорационных кормовых смесей и т. п.
Схема технологического процесса заготовки и хранения прессованного сена приведена на рисунке 1.1.
В технологическом процессе заготовки и хранения прессованного сена (рис. 1.1) можно выделить пять основных этапов: скашивание (могут быть и другие операции, такие как плющение, измельчение, ворошение, сгребание и др.), подбор с прессованием, транспортирование, укладка и хранение [6, 28].
Казалось бы, технологии заготовки кормов прессованием в тюки, рулоны и брикеты наиболее дороги. Но известно, что получаемые при этом корма наиболее высококачественные, сбор кормовых единиц с гектара более полный, потери, по отношению к биологической урожайности, составляют: при прессовании в тюки и брикеты 21,1 - 33,5%, в то время как при заготовке рассыпного сена 46,2 - 48,8%. Потери при заготовке сена в рассыпном виде, весьма значительны, восполнение которых обходится очень дорого. Недобор урожая должен компенсироваться, например, покупкой комбикорма.
Существует две технологии включающие процесс брикетирования. Первая технология заключается в заготовке брикетов мобильным брикетировщиком из трав, высушенных в поле. Данная технология позволяет снизить потери корма, расходы на транспортировку и затраты труда. Вторая технология производства кормов из трав с прессованием в брикеты включает следующие основные операции: измельчение растительной массы, дозирование кормовых добавок, смешивание кормовых компонентов увлажнение кормовой смеси, брикетирование и транспортирование готового продукта в накопительную ёмкость или на склад. Данная технология позволяет брикетировать полнорационные кормосмиси, что позволяет повысить продуктивность животных.
Среди действующих в хозяйствах страны предприятий для производства гранулированных и брикетированных кормов на промышленной основе наибольшее распространение получили линии производительностью 1,5...3 т/ч. Формируют эти линии на базе стандартного оборудования, выпускаемого промышленностью: сушильных агрегатов АВМ-1,5, брикетировщиков ОПК-2 и ОБК-3 и грануляторов ОГМ-1,5.
Несмотря на некоторое усложнение производства и применение дорогостоящего и сложного оборудования, операция брикетирования оправдывает затраты из-за преимуществ уплотненных кормов [42, 71, 72, 113, 115]. Данные технологии полностью исключают ручной труд, обеспечивают комплексную механизацию всех технологических операций и высокую производительность труда. Отечественной сельскохозяйственной наукой в настоящее время предусматривается разработать и внедрить перспективные механизированные технологии заготовки, переработки и хранения кормов на базе комплексной механизации мобильных и стационарных прессов. Уплотнением называют процесс сближения частиц зернистого или волокнистого материала под действием приложенных внешних сил с целью повышения его плотности. В качестве готового продукта процесса уплотнения образуется монолит, который, в зависимости от его конечной плотности и вязкости, может сохранять свою форму под влиянием внутренних сил сцепления или внешней реакции от ограничивающих элементов (обвязки, стенки, ёмкости). Уплотнение кормов осуществляется следующими способами: сжатием, скручиванием, виброутряской, экструзией, окатыванием. Процесс уплотнения сжатием в закрытой камере в технике принято называть прессованием. В зависимости от требуемой плотности монолита в результате прессования стебельных кормов получают тюки (плотность 120 - 160 кг/м3), требующие обвязки, или брикеты (плотность 600 - 900 кг/м3), сохраняющие свою форму без обвязки [28, 42, 51]. Установлено, что обработка корма давлением обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными способами заготовки кормов [28,44,91,111]: 1. Снижение потерь питательных веществ при хранении; 2. Способствует улучшению усвояемости грубых кормов; 3. Уменьшение потерь корма при кормлении и снижение их расхода на единицу продукции; 4. Облегчение механизации и автоматизации раздачи кормов; 5. Возможность создания полноценного питания животных; 6. Экономичность использования складских помещений; 7. Повышение культуры производства. Классификация способов уплотнения стебельных кормов прессованием может быть сделана по их исходным характеристикам и виду конечных продуктов (таблица 1.1). При этом различают способы прессования в тюки (обычной или повышенной плотности), рулоны или жгуты, брикеты и гранулы. Из таблицы 1.1 видно, что наиболее совершенными способами прессования являются брикетирование и гранулирование, позволяющие получить наиболее высокую степень уплотнения. Физическая сущность прессования сводится к сближению и сцеплению частиц твёрдой фазы, то есть к уплотнению и упрочнению разрыхлённой массы корма путём механического давления.
Определение давления прессования в криволинейной камере
С увеличением соотношения резки возрастает энергия, потребляемая на деформацию более длинного материала, и увеличивается сила трения, в результате, как видно из графика (рис. 2.13), общая работа прессования возрастает для всех материалов. Это также подтверждается исследованиями Особова В.И. [67]. При увеличении соотношения резки от 0,5 до 1,5 удельная работа прессования увеличивается в среднем на 5%.
Зависимость удельной работы определяется влиянием влаги на изменение упругих и пластичных свойств материала, что проявляется снижением удельной работы сжатия из-за увеличения пластических свойств при большей влажности, а повышение упругих свойств с ростом влажности к росту удельной работы сжатия. Кроме этого, при больших значениях влажности вода оказывает дополнительное сопротивление сжатию, вызывая расклинивающие действие. Увеличение влажности приводит к снижению коэффициента трения, что проявляется уменьшением работы на преодоление сил трения [111]. Из графика (рис. 2.14) видно, что при комплексном влиянии факторов минимальное значение удельной работы для материалов: костёр, люцерна, солома пшеничная определяется при влажности 15 - 18%, что соответствует данным исследования Некрашевича В.Ф. [51]. При увеличении влажности соломы овсяной наблюдается рост удельной работы сжатия, так как в большей степени проявляются упругие свойства по отношению к пластичным, но снижение в большей степени удельной работы на преодоление сил трения в итоге приводит к снижению общей удельной работы прессования.
Для изучения реологических свойств воспользуемся физически обоснованной моделью, составленной из упругих, вязких и других элементов, достаточно точно описывающей механические свойства любого материала. При выборе модели необходимо идеализировать свойства реального материала и представить лишь те механические свойства, которые существенны для поставленной задачи. При рассмотрении влияния времени действия нагрузки на упруго-напряжённое состояние растительных материалов видим, что такими свойствами являются упругость и вязкость.
Необходимыми для описания свойствами обладает модель Бюргерса, состоящая из четырёх простых элементов (рис. 2.15). Такая модель качественно описывает деформационное поведение таких сельскохозяйственных культур как комбикорм, сено-соломистых материалов и других видов кормов [67, 111]. Если к модели Бюргерса приложить постоянное напряжение р, то прежде всего произойдёт мгновенное сжатие пружины Е2, далее постепенное сжатие пружины Ej и перемещение поршня JUJ, а также поршня /л2. В результате общая деформация модели будет возрастать со временем. Это явление носит название ползучести. При снятии нагрузки пружина Е2 мгновенно разожмётся. Пружина Е], благодаря действию поршня, будет разжиматься в течение некоторого времени. Данное явление носит название обратной ползучести или упругого последействия. Если модель Бюргерса подвергнуть мгновенному сжатию и её свободный конец зафиксировать, то со временем пружины заставят поршни перемещаться. По мере продвижения поршней пружины будут разжиматься, а напряжение в модели будет уменьшаться. Это явление носит название релаксация напряжений. По данным исследований известно, что для материалов существует определённое время релаксации, зависящее от их физико-механических свойств, поэтому различают деформации двух видов [67]. Во-первых, деформации, протекающие медленнее, чем происходит релаксация. Изменение скорости деформации в этом случае не будет существенно влиять на сопротивление, оказываемое материалом сжатию, так как возникающие в нем напряжения успевают релаксировать. Преобладает процесс рассеивания энергии, подводимой к материалу. Ко второму виду относятся деформации, протекающие быстрее релаксации. Энергия не успевает рассеиваться, преобладает процесс её накопления, при этом скорость сжатия существенно влияет на сопротивление материала уплотнению. С увеличением скорости деформации возрастает количество нерассеянной энергии, вследствие чего материал оказывает тем большее сопротивление уплотнению, чем больше его состояние отличается от состояния равновесия. Чтобы выявить вид деформации, необходимо иметь расчетные формулы для определения скорости релаксации при уплотнении материала. Для описания деформационных свойств материалов подобного типа применим так называемую наследственную теорию Больцмана, которая описывает зависимость релаксации напряжений в виде интегрального уравнения вида [67].
Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья
Целью данных экспериментальных исследований является подтверждение теоретических положений, выдвинутых в главе 2, обоснование конструктивно-кинематических параметров объекта исследований, а также выявление общих закономерностей рабочего процесса.
Основной целью первого, предварительного блока экспериментов, ставилось определение зависимости давления прессования Р от соотношения величины резки к диаметру камеры прессования l/d и относительной влажности материала W (Р = f (l/d, W)). При определении давления прессования встаёт задача определения коэффициентов с и т, которые зависят от структурно-механических свойств материала (прочности, влажности, крупности частиц и т.д.) и определяют собой сопротивляемость материала сжатию. Экспериментально предполагается определить коэффициенты сит основного уравнения прессования, посредством которых и будет рассчитано давление прессования до заданной плотности. Второй задачей является определение реологических свойств материала. Предполагается определить зависимость величины прямой ползучести от соотношения величины резки к диаметру камеры прессования l/d и относительной влажности материала W, посредством которой рассчитывается релаксация напряжений.
Во втором, основном блоке, на базе результатов, полученных ранее, проводили исследования по изучению процесса прессования на экспериментальной установке брикетного пресса непрерывного действия. Каждый из блоков экспериментальных исследований полагаем проводить по следующим этапам.
Первый этап - разработка программ и методики, повышающие эффективность экспериментальных исследований при минимальных затратах времени; выбор зависимых переменных, подлежащих исследованию; выбор качественных и количественных уровней исследуемых критериев оптимизации и построение математической модели исследуемого процесса.
Второй этап - изготовление экспериментальной установки; подготовка измерительной аппаратуры; проведение экспериментальных исследований и математическая обработка полученных данных; сопоставление результатов эксперимента с теоретическими предпосылками; корректировка теоретической модели и при необходимости проведение дополнительных экспериментов.
Третий этап - обобщение результатов первых двух этапов; внедрение результатов исследований в конкретную модель установки, и, в свою очередь, в производство; определение ожидаемого экономического эффекта.
Большое внимание при разработке методик исследования уделялось физико-механическим свойствам прессуемого материала. В опытах были использованы следующие виды материала: солома пшеничная, овсяная, костёр безостый, люцерна. Выбор данных материалов основан на том, что они являются основной базой, составляющей рацион жвачных животных в зимний период и при стойловом содержании животных. Основные физико-механические характеристики этих видов кормов были приняты из литературных источников [28,39].
Критериями к выбору соломы пшеничной и овсяной, как профилирующего материала в исследованиях процесса прессования, послужило их повсеместное использование в качестве кормового материала, при этом не обладающие веществами, которые могли бы выступить в роли связующего вещества. Солома овсяная, как и ячменная, с кукурузой относятся к плохо прессуемым материалам [42], а костёр безостый и люцерна различаются временем релаксации напряжений [42, 51]. Костёр безостый и люцерна использовались как представители луговых и бобовых трав.
Влажность в процессе эксперимента определяли прямым методом с применением воздушно-тепловой обработки в сушильном электрическом шкафу по ГОСТ 13586.5-93 для определения влажности материала в лабораторных условиях.
Применяемое в исследовании оборудование: шкаф сушильный с вентиляцией, позволяющий поддерживать в рабочей камере температуру до 150 С, бюксы алюминиевые диаметром 50 мм и высотой 20 мм, щипцы тигельные, весы лабораторные 3-го класса точности с пределом взвешивания 300 г., секундомер.
Из среднего образца, предназначенного для определения влажности, после тщательного перемешивания путем встряхивания сосуда отбирали навеску, приближенно равную 5 г, и помещали её в бюксу. Бюксу с навеской материала ставили на крышку и помещали в разогретый до нужной температуры шкаф. Время высушивания засекали с момента восстановления заданной температуры после загрузки шкафа. Высушивание производили до тех пор, пока масса бюксы с навеской не перестанет изменяться, что проверяли регулярным взвешиванием.
Анализ эксперимента по определению давления прессования
Анализ двумерных сечений (приложение 7) показал, что характер зависимостей для каждого материала идентичен вне зависимости от того, на каком уровне закреплен оставшийся фактор. Из графиков видно, что для костра и соломы пшеничной с ростом влажности до 16 - 15% соответственно, происходит снижение удельной работы, так как влага размягчает материал, что также подтверждается и теоретическими расчётами. Дальнейший рост влажности, приводит к увеличению упругих свойств материала, в результате чего повышается удельная энергоёмкость. Для соломы овсяной значение влажности составляет 17%. Для люцерны минимальные значения удельной работы соответствуют влажности 21%, так как грубый стебель требует большего количества влаги для проявления пластичных свойств.
Значению минимальной энергоёмкости для костра и соломы пшеничной соответствует величина соотношения резки к ширине камеры прессования, равной 0,5, а для люцерны и соломы овсяной несколько больше. С повышением соотношения резки наблюдается рост энергоёмкости, так как на сближение мелких частиц требуется меньше энергии, чем крупных. Рост удельной работы с увеличением соотношения резки также подтверждается теоретически полученными данными.
Также рост энергоёмкости происходит и при увеличении скорости. Так как при резком сжатии скорость роста деформации увеличивается, по отношению к скорости релаксации напряжения, и материал в большей степени оказывает сопротивление сжатию. В разделе 2.2 главы 2 были проведены теоретические исследования по определению удельной работы процесса прессования сено-соломистых материалов в криволинейной камере. По методике, приведенной в разделе 3.3 главы 3, были проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены в приложении 6. Во время проведения экспериментов определялась удельная энергоёмкость прессования материала при различной влажности и резке. Графическая зависимость удельной энергоёмкости прессования от влажности материала, при величине соотношения резки к ширине прессуемой камеры l/h=l, представлена на рисунке удельной работы прессования от соотношения величины резки к ширине прессуемой камеры при влажности W= 108 Из графика видно, что теоретическая кривая производительности лежит в области доверительного интервала. Сравнение расчетных данных удельной работы, в зависимости от влажности и соотношения величины резки к ширине прессуемой камеры, с экспериментальными показало удовлетворительную согласованность, выраженную коэффициентом корреляции, соответственно в зависимости от влажности, для костра г = 0.98, для пшеничной соломы г = 0.96; в зависимости от соотношения величины резки, для костра г = 0.98, для пшеничной соломы г = 0.97 Максимальная плотность брикетов соответствует минимальной скорости прессования и величание резки материала на 15 - 30% больше ширины камеры прессования. Для получения более полной информации проанализируем сечения поверхностей отклика (приложение 7), построенных по уравнениям регрессии (4.21-4.24), при закреплении одного из факторов на определённом уровне. Из анализа графиков видно, что у соломы пшеничной, костра и люцерны с ростом влажности до 14 - 15%, плотность брикетов увеличивается. При дальнейшей увеличение влажности плотность уменьшается. Рост плотности связан с появлением дополнительной силы сцепления, вызванной склеиванием. При большей влажности вода приводит к обратному эффекту, и, кроме того, повышает упругие свойства материала, что увеличивает обратную ползучесть. Так у соломы овсяной уже превышение влажности 11% приводит к уменьшению плотности брикетов. С ростом соотношения резки к ширине камеры прессования для всех материалов наблюдается рост плотности брикетов, так как увеличивается сила сцепления, вызванная спутыванием материала. При увеличении скорости плотность снижается из-за уменьшения времени выдержки брикета под давлением, при этом уменьшается релаксация напряжения. В качестве критерия оптимизации, определяющего качество получаемых брикетов, были проведены эксперименты по определению крошимости брикетов. Эксперименты проводились в соответствии с методикой, приведённой в разделе 3. Крошимость брикетов определялась согласно методике, описанной в ГОСТе 18691-73.
Результаты эксперимента по определению крошимости брикетов К представлены в приложении 6. На основании методики обработки результатов, изложенной в главе 3, была получена регрессионная модель в виде полинома второй степени, адекватно описывающая зависимость крошимости, брикетов полученных на брикетном прессе. Уравнения регрессии для крошимости брикетов примут вид:
