Содержание к диссертации
Введение
1. Общее состояние вопроса 7
1.1. Классификация и виды кормов, необходимость приготовления кормов 7
1.1.1. Использование кормов в рационе 8
1.2. Способы приготовления кормов 13
1.3. Классификация и анализ устройств для приготовления кормов 23
1.4. Анализ исследований по прессованию кормов 29
1.4.1. Обзор исследований по определению физико-механических свойств кормов 33
1.4.2. Анализ исследований по истечению жидкостей через насадки 34
1.43. Анализ методов определения качества экструдирования 35
Выводы по обзору, постановка цели и задач исследований 38
2. Теоретические исследования процесса экструдирования 40
2.1. Теоретические предпосылки. 40
2.2. Анализ теоретических исследований по экструзионной обработке кормов 42
2.3. Движение потока энергии и материального потока внутри экструдера 46
2.4. Исследования параметров экструдера 53
3. Программа и методика экспериментальных исследований 58
3.1. Программа экспериментальных исследований 58
3.2. Частная методика экспериментальных исследований. 58
3.2.1. Определение вязкости кормосмеси 61
3.2.2. Методика проведения исследований по определению физико-механических свойств кормосмеси 64
3.2.3. Методика определения качества экструдата 66
3.2.3.1. Методика определения крошимости экструдата 66
3.2.3.2. Методика определения содержания крахмала 67
3.2.3.3. Методика определения количества декстринов 69
3.3. Общая методика экспериментальных исследований 70
3.3.1.Методика проведения сравнительных экспериментов 70
3.3.2.Методика проведения оптимизационных экспериментов . 74
4. Обработка и анализ экспериментальных исследований 77
4.1. Результаты по частной методике 77
4.2. Результаты сравнительных экспериментов 77
4.3. Результаты оптимизационных экспериментов 80
4.4. Сопоставление результатов сравнительных и оптимизационных экспериментов 91
4.5. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований 94
4.6. Определение коэффициента трения и сдвиговых напряжений 96
4.7. Результаты определения качества экструдата 96
5. Технико-экономические показатели работы экструдера 99
5.1. Производственная проверка 99
5.2, Экономическая эффективность исследуемого экструдера 100
Выводы , 106
Литература 108
Приложения 116
- Обзор исследований по определению физико-механических свойств кормов
- Движение потока энергии и материального потока внутри экструдера
- Методика проведения исследований по определению физико-механических свойств кормосмеси
- Сопоставление результатов сравнительных и оптимизационных экспериментов
Введение к работе
Интенсивное развитие животноводства, повышение его продуктивности осуществляется путём создания прочной кормовой базы. Одним из решающих условий ускорения темпов роста животноводческой продукции, повышения её качества и снижения себестоимости является создание машин и технологий повышающих эффективность кормоприготовления.
Укрепление кормовой базы должно идти путем ускорения научно - технического прогресса, интенсификации полевого и лугового кормопроизводства, внедрения высокоэффективных технологий выращивания, уборки, переработки и хранения кормов.
Доля малоценных кормов, в качестве отходов полеводства, в рационе животных вместо кормов с естественных угодий в зоне Северного Казахстана возрастает, так как после уборки зерновых культур на полях скапливается большое количество соломы. Для её использования в рационе животных необходимо оборудование, влияющее на изменение состава, например уменьшения доли непереваримой клетчатки, а также обогащения концентрированными кормами, биологически активными добавками и так далее. Это возможно с применением экструдирования - оно позволяет соединить в технологическом процессе разные виды кормов, создать однородную, сбалансированную, удобную при кормлении массу. Температура до 200С и давление до 25МПа при экструзионной переработке позволяют снизить негативные факторы: микрооб-семенённость бактериями, гнилостные включения и другое. Экструдеры по производству продуктов из агросырья, на основе зерновых предназначены как для технологии варочной экструзии, когда температура превышает 100С так и для получения продуктов методами тепловой (70,..90С) и холодной (до 40С) экструзии. При экструдировании с давлением сжатия ЮМПа в экстру дере возникают большие силы сдвига, благодаря чему появляется возможность формовать необходимую структуру из белков растительного происхождения, что не-
возможно в условиях традиционной технологии тепловой обработки.[1] Однако экструдирование — очень энергоёмкий процесс. Поэтому повышение производительности экструзионной техники, уменьшение энергоемкости является актуальной задачей.
Наиболее перспективное конструктивное решение - одношнековый, одно-заходный экструдер, отличающийся простотой конструкции, надёжностью, эффективностью. Тем не менее в его совершенствовании также есть существенные резервы.
В результате анализа конструкций одношнековых экструдеров нами была разработана рабочая гипотеза о возможности повышения эффективности экструдирования за счёт изменения винтовой поверхности шнека (торец винта изготовлен со скосом в направлении фильер). Кроме того, отношение длины фильер к диаметру должно быть равно трём - четырём. Таким образом, целью исследования является повышение эффективности экструдирования кормов путём совершенствования конструкции экструдера. Объектом исследования является процесс экструдирования кормов.
Научная новизна в работе:
определены закономерности изменения процесса экструдирования при переработке кормосмеси, получены аналитические зависимости производительности и энергоёмкости от конструктив но-режимных параметров (частоты вращения винта, зазора между корпусом и винтом, угла скоса винтовой поверхности, отношения длины фильер к диаметру);
разработан комплексный оценочный показатель эффективности экструдирования;
определены коэффициенты трения и сдвига, а также качественные показатели экструдирования.
— Практическую ценность представляет конструкция экструдера с обоснованными в работе винтовой поверхностью шнека, длиной фильер и его режимными параметрами.
Результаты исследований внедрены в хозяйстве "ОПХ Заречное" Костанай-ской области Республики Казахстан. Общие положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях, в том числе и международной, в Оренбургском государственном аграрном университете (г. Оренбург, Российская Федерация, 2003 - 2004 год), на ежегодных научных конференциях, в том числе посвященной 50-ти летию освоения целинных и залежных земель, где была отмечена грамотой, в Костанайском государственном университете (г, Костанай, Республика Казахстан, 2001 — 2004). По материалам диссертации опубликовано шесть работ, получено положительное заключение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2003/ 1620.1 от 27.11.03./97/). Данная работа выполнена в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ "Совершенствование машин для кормоприготовле-ния".
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включая список литературы из 98 наименований, 43 рисунка, 12 таблиц и шести приложений.
Обзор исследований по определению физико-механических свойств кормов
Исследование рабочих процессов различных механизмов, машин взаимосвязанно с коэффициентом трения, как с фактором, оказывающим большое влияние на энергетические показатели. [22, 66, 67, 68, 69]
По исследованиям В.А. Мухина, при изменении давления от 0,5 до 4 Па, коэффициент трения клевера, костра и люцерны по стали увеличивается [68].
Другие авторы установили влияние на коэффициент трения таких параметров, как давление на поверхность скольжения.
С увеличением давления коэффициент трения уменьшается, что связывают с появлением смазывающего слоя на поверхности скольжения. Повышение влажности растительных материалов при скольжении по стали приводит к росту значений коэффициента трения.
Для различных кормовых материалов в зависимости от материала поверхности трения, коэффициент трения принимает значения, которые находятся в широком дипазоне. Так, например, исследователи Б.В. Кононова и А.К. Свириденко установили, что коэффициент трения движения комбикормов по дереву равен 0,5, по стали — 0,37, по пластмассе — 0,14, с этим согласуется и ряд других работ [66, 70].
Согласно исследованиям В.В Красникова, коэффициент трения соломы по стали находится в пределах 0,24-0,33 [71]. При этом удельное давление свыше 0,05 мПа, практически не влияет на коэффициент терния соломы и наоборот, при уменьшении удельного давления, коэффициент трения уменьшается. К такому мнению пришли и другие исследователи [70].
Коэффициент трения растительных материалов по стали возрастает почти в 1,5 раза, если поверхность шлифованная, это необходимо учитывать, так как в процессе работы в результате контакта с грузом поверхности шлифуются [72].
По исследованиям В.В. Красникова коэффициент трения движения составляет 0,7-0,9 от коэффициента трения покоя, у Н.С. Некрашевича это соотношение -0,1. С этим согласуются исследования Бурмистровой М.Ф. [71, 72].
По исследованиям Г.М. Кукты коэффициент трения кормовых масс по бетонной поверхности больше, чем по дереву и металлу. С увеличением давления свыше 9,8-11,2 кПа значения коэффициента трения убывают медленнее и несколько стабилизируются [22].
Г.М.Куктой так же отмечено, что коэффициенты трения в значительной степени зависят от влажности кормов [22].
Коэффициенты трения сыпучих материалов по поверхности в состоянии покоя и в движении по исследованиям Ф.Д.Братерского взаимосвязаны с коэффициентом сопротивления сдвигу, т.е. коэффициент трения сырья и комбикормов о различные материалы и есть коэффициент сопротивления сдвигу по этим материалам при предельном напряжении [69].
Таким образом, коэффициент трения зависит от свойств и состояния растительной массы, состава кормовой массы, свойств и степени обработки рабочей поверхности, а так же условий взаимодействия между массой корма и поверхностью.
Взаимодействие корма и винтовой поверхности шнека экструдера носят сложный характер, а в завершающей стадии экструдат на выходе в зоне фильер подчиняется законам псевдопластической жидкости. В связи с этим возможно использование реологического уравнения Освальда —де Виля:
T=HY; (І) где: т — напряжение сдвига; ц. - коэффициент консистенции материала; у — скорость сдвига материала; п - индекс течения.
Поведение неньютоновской жидкости при высоком давлении отличается от ньютоновской индексом течения (п). Поэтому движение корма через фильеру матрицы экструдера можно описать гидравлическими законами движения реальной жидкости со смещением на величину индекса течения (п 1).
Исследованиями В, М. Фомичева было установлено, что при использовании насадок в процессах истечения ньютоновских жидкостей через отверстия, можно увеличить расход, увеличив длину насадка в 3 — 4 раза по отношению к диаметру насадка. Дальнейшими исследованиями отмечено уменьшение коэффициента сопротивления и увеличение расхода (жидкость считалась идеальной) при изменении формы входного отверстия насадка (вход имеет закругление кромки) [73].
По исследованиям Д. В. Штеренлихта для насадка с острыми входными кромками и L = (3 -г- 4)d, при условиях (Re = 103; 5 103; 104 соответственно Цц.н. 0.73; 0,8; 0,82, где R« — число Рейнольдца, цц,н. — коэффициент расхода) истечение жидкости через такой насадок увеличивает расход на 32%. Выполнение входа в цилиндрический насадок, в виде скруглённых кромок, или усеченного конуса, также позволяет увеличить коэффициент расхода и уменьшить коэффициент сопротивления [74].
Таким образом, увеличение параметров выходной части (оголовка) в три — четыре раза больше, чем сумма диаметров выходных отверстий, позволит увеличить производительность экструдера при переработке кормосмеси в 1,32 раза.
Движение потока энергии и материального потока внутри экструдера
В исследованиях учёных [76, 77] движение корма внутри винтового канала рассматривалось как движение материала между двумя параллельными пластинами (одна из которых подвижна). Не умаляя значения таких работ и не оспаривая их целесообразности, следует сказать, что они не могут в полной мере ответить на вопрос о влиянии образующей винта на распределение нагрузки внутри материала. Наибольший интерес, как с теоретической, так и с практической точек зрения представляет положение плоскостей, давление рабочей поверхности винта, так как это влияет на распределение общей энергии, полную работу и нагрев деталей экструдера.
В результате приложения вращающего момента к валу винта в экстру-дируемом материале возникают напряжения пропорциональные площади, на которую воздействует сила F] и её результирующие силы F; (рисунок 6). Из всех сил следует выделить положительные силы (Fb F2, F3, F5), повышающие напряжение внутри корма и отрицательные силы, снижающие его (F4, F6). Из этих сил Fi - сила способствующая перемещению кормосмеси вдоль оси шнека экструдера, Н. F2 - реакция стенки фильер, Н. F3 - сила действия в зоне А, при изготовлении скоса винтовой поверхности, Н. F4 - сила, возникающая в результате утечки корма между винтовой поверхностью шнека экструдера и корпусом, Н. F5 - сила воздействия боковой поверхности винта, Н. F6 - сила обеспечивающая выход экструдата, Н.
Материал в фильере представляет собой вязкопластическую жидкость, отличающуюся от реальной жидкости индексом течения (п).
где: U d - длина и диаметр фильеры, м. Кроме сил на рисунке 10 показаны углы, активно влияющие на движение материала: О, — угол образующей винта шнека, град.; а - угол подъема винтовой линии, град.; Ч7 - угол скоса торца витка винта, град; т - касательные напряжения, МПа.
Для серийной машины с прямой винтовой поверхностью шнека воздействие силы F4 - максимальное, то есть утечку корма при экструдировании можно уменьшить только уменьшением зазора между корпусом и торцом витка винта.
Одним из вариантов устранения утечки корма через зазор между торцом витка винта и корпусом — создание гидравлического затвора, используя физико-механические свойства материалов. Угол Ч? больше угла трения материала корма о сталь, это создаёт условие для защемления корма между стенкой корпуса и торцом витка винта, то есть возникает сила F3, обеспечивающая устранение утечки корма (рисунок 7). Это снижает температуру корпуса, уменьшается скорость движения корма относительно корпуса, снижается энергоёмкость, увеличивается доля полезной работы в общем балансе энергии.
На рисунке 7 указаны: Л — зазор между витком винта и корпусом экструде-ра, м; К — толщина витка, м; К — продолжение скоса винтовой поверхности до корпуса экструдера, м; АВ - расстояние скоса винтовой поверхности, м.
Условие равновесия сил в этом случае будет иметь вид: F1 = F2+F5 + F3-F6;H (20)
Методика проведения исследований по определению физико-механических свойств кормосмеси
Определение касательных напряжений осуществили через коэффициенты внешнего и внутреннего трения покоя и движения сыпучих, измельченных кормов [ ].
Численное значение коэффициентов определили по известным методам с использованием сдвигающих элементов [ ].
Для кормосмеси (солома, зернофураж) применили стальные кольца (рисунок ), образующие поверхность трения площадью F=0, 5M2 [ ].
Корм засыпали в установленные на приборе кольца 2, 3, 8, разравнивали, излишек сняли линейкой по плоскости верхнего кольца. Затем устанавили грузы 6, изменяющиеся в опытах от 0,5 до кг, включали привод сдвигающего стержня 5. Опыт продолжали до полного сдвига на 0,9 толщины кольца, при определении коэффиента внешнего трения fB и сдвига по поверхности трения 9 на 1 см при определении коэффициента внутреннего трения fH. Скорость сдвига в пределах 0, -0, см/с. Перед началом опытов тарировали установку, сдвигая незаполненные кольца по поверхности трения и по поверхности колец. Основа установки корпус 4, накрываемый крышкой 1, 7. Коэффициент трения и сдвиговое напряжение определили из отношений: f„ = (p„-p)/G; ( ) T = (p.- p)/F; ( ) где: рв и pH - сопротивление сдвигу образца по поверхности и преодоление внутреннего трения, Н; р — сопротивление сдвигу колец при тарировке, Н; F — площадь поверхности трения, м ; G — масса груза с учетом массы образца, Н; Рисунок . Схема устройства для определения сдвигающих усилий: а) в испытуемом материале; б) по поверхности трения 3.2.3. Методика определения качества экструдата 3.2.3.1. Методика определения крошимое і и экструдата Качество гранул, полученных с помощью одношнековых экструдеров, характеризуется крошимостью и степенью гомогенизации материала [ ]. Для проведения испытания гранул на крошимость применили лабораторную установку марки ППГ — 2 и весы лабораторные технические (рисунок ). Пробу гранулированной кормосмеси массой 2 - 3 кг отобрали после выхода гранул из фильеры, при проведении сравнительных и оптимизационных экспериментов.
Не менее чем через минут, с момента отбора пробы, освобождали её от крошки на просеивателе, вмонтированном в лабораторную установку ППГ - 2. Для этого в просеиватель установили сито с отверстиями диаметром, равным 0, диаметра испытуемых гранул. Просеиватель приводили в движение нажатием кнопки "пуск" на левом пульте управления установки. Отсев проводили в течение 1 минуты, после чего просеиватель автоматически выключается. Оставшаяся на сите часть гранул - проба кормосмеси, готовая к проведению испытания на кроши мость.
Из приготовленной пробы выделяли три навески массой по г каждая и помещали их в камеры истирателя установки ППГ — 2, которые плотно закрывали специальными крышками. Истиратель приводили во вращение нажатием кнопки "пуск" на правом пульте управления. Испытания продолжали минут, после чего истиратель автоматически останавливается. Одну из камер истирателя открывали и содержимое высыпали на то же сито просеивателя. По окончании просеивания гранулы ссыпали в специальный сборник, для чего ситовую рамку поворачивали с помощью рычага относительно оси на угол , Крошку, прошедшую через сито, собирали в другом сборнике.
Когда ситовая рамка поднята, на левой панели управления горит сигнальная лампа. После ссыпания гранул рамку возвращали в исходное положение, при этом сигнальная лампа гаснет. Сборник с просеянными гранулами выдвигали из корпуса лабораторной установки и взвешивали с точностью до 0,5 г. Затем сборник освобождали и по направляющей задвигали в корпус установки. В такой же последовательности проводили операции с навесками двух других камер. За показатель крошимости гранул принимали разность между первоначальной массой гранул и массой гранул после испытания, выраженную в про центах. Крошимость гранул для каждой камеры истирателя (И1, И2, ИЗ, %) определяли по формуле (2).
Сопоставление результатов сравнительных и оптимизационных экспериментов
Для оценки полученных значений по сравнительному и оптимизационному
экспериментам при помощи компьютерной программы "MathCAD2000" построили графики 35 - 38. На них пунктиром показано изменение удельной производительности в зависимости от факторов при винтовой поверхности с углом скоса 5, сплошной линией показано изменение удельной производительности при стандартном варианте винта. Анализируя полученные значения по рисунку 35 можно сказать, что в оптимизационных экспериментах с углом скоса винтовой поверхности равном 5 при увеличении частоты вращения винта экструдера, удельная производительность имеет большие значения, чем при стандартном варианте. Значения частоты вращения винта экструдера на рисунке обозначены в кодированном масштабе, максимум достигается в точке +1. Q/N, кг/кВт-ч
Зависимость удельной производительности от количества воды в кормосмеси.
Анализируя полученные значения по рисунку 36 можно сказать, что в оптимизационных экспериментах с углом скоса винтовой поверхности равном 5, при изменениях количества воды в кормосмеси в исследуемых интервалах варьирования (от -1 до +1, при раскодировке для количества воды в кормосмеси, которое изменяли от 0,25л до 0,75л) удельная производительность меняется по параболической зависимости и имеет большие значения, чем при стандартном варианте винта экструдера.
Анализируя полученные значения по рисунку 37 можно сказать, что в оптимизационных экспериментах с углом скоса винтовой поверхности равном 5, при изменениях отношения длины фильеры к сумме диаметров выходных отверстий (отверстий четыре) в исследуемых интервалах варьирования (от -1 до +1, при раскодировке для длины фильеры от 32мм до 96мм / 32мм) удельная производительность возрастает и имеет большие значения, чем при сандартном варианте винта экструдера.
Анализируя полученные значения по рисунку 38 можно сказать, что в оптимизационных экспериментах с углом скоса винтовой поверхности равном 5, при изменениях количества соломы в кормосмеси в исследуемых интервалах варьирования (от —1 до +1, при раскодировке для количества соломы в кормосмеси, которое изменяли от 50гр до 150гр) удельная производительность меняется по параболической зависимости и имеет большие значения, чем при стандартном варианте винта экструдера.
Таким образом, сопоставление результатов оптимизационного и сравнительного экспериментов выявило повышение эффективности работы экспериментального экструдера на 20%. 4.5. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований
Результаты экспериментальных исследований сравнены с теоретическими и отражены в графиках (рисунки 39, 40, 41), построение графиков осуществлено методом графического наложения. Пунктирной линией показано изменение удельной производительности при проведении экспериментов, сплошной линией показано изменение удельной производительности, определённой теоретическими исследованиями.
Рисунок 39. Зависимость удельной производительности от вязкости кормосмеси.
Из рисунка 39 видно, что при изменениях вязкости кормосмеси значения удельной производительности повышаются как теоретически, так и экспериментально, когда вязкость кормосмеси имеет меньшие значения. Но кривая, отражающая проведённый эксперимент, проходит значительно выше теоретической. Вязкость кормосмеси изменяли с учётом индекса течения (n = 0,23).
Сравнительный анализ зависимости удельной производительности от частоты вращения винта экструдера (рисунок 40) позволяет сделать вывод, что при теоретическом расчёте изменение удельной производительности имеет значение меньшее, чем в экспериментах. Построение экспериментальной кривой осуществлено по результатам экспериментов при частоте вращения винта экструдера от 10 до 60 оборотов в минуту.
