Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований технологического процесса и оборудования для гранулирования кормов, цель и задачи исследования 11
1.1 Свойства кормовых смесей 11
1.2 Актуальность производства кормовых гранул 12
1.3 Обзор оборудования для гранулирования кормов 14
1.4 Анализ особенности уплотнения кормов 16
1.5 Классификация шестеренных прессов 21
1.6 Обзор исследований шестеренных прессов 27
1.7 Цель и задачи исследований 34
2. Аналитическое исследование процесса гранули рования кормов прессом с одной матрицей и малым прессующим колесом 36
2.1 Совершенствование технологии гранулирования кормов в фермерских хозяйствах 36
2.2 Рабочий процесс гранулирования кормов одноматричным прессом с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом ... 39
2.3 Производительность пресса 41
2.4 Момент сопротивления вращению прессующего колеса 46
2.5 Момент сопротивления вращению прессующего колеса при плунжерном воздействии на корм 52
2.6 Мощность, потребляемая для привода пресса и энергоемкость процесса гранулирования корма 55
Выводы 56
3. Программа и методика экспериментальногоисследования работы одноматричного шестеренного пресса 57
3.1 Программа исследования 57
3.2 Общая методика 57
3.3 Методика оптимизации параметров зубчатых колес шестеренного пресса 61
3.4 Методика оптимизации параметров рабочих органов одноматричного шестеренного пресса 64
3.5 Методика проведения двухфакторного эксперимента по определению влияния частоты вращения матрицы и коэффициента высоты головки зуба прессующего колеса на производительность пресса и качество гранул... 67
3.6 Методика исследования процесса сжатия кормов при изменении коэффициента высоты головки зуба 69
3.7 Методика измерения мощности затрачиваемой на привод и определения энергоемкости процесса гранулирования кормов 71
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 72
4.1 Результаты экспериментального исследования физико-механических свойств кормовых смесей 72
4.2 Результаты исследования параметров пресса кормов с равновеликими колесами в диапазоне увеличенных диаметров 73
4.3 Оптимизация параметров зубчатых колес уменьшенного диаметра пресса для приготовления кормовых гранул 79
4.4 Результаты исследования параметров пресса при взаимодействии прессующих колес разного диаметра 86
4.5 Оптимизация значений параметров зубчатых колес одноматричного шестеренного пресса 87
4.6 Оптимизация параметров и режимов работы одноматричного пресса для гранулирования кормовых смесей 94
4.7 Результаты оптимизации режима работы и параметров одноматричного пресса с плунжерным действием 103
Выводы 108
5. Методика инженерного расчета пресса и его экономическая эффективность 110
5.1 Методика инженерного расчета одноматричного шестеренного пресса 110
5.2 Экономическое обоснование эффективности практического использования результатов исследования 112
Общие выводы и предложения 124
Литература 126
Приложения 140
- Актуальность производства кормовых гранул
- Рабочий процесс гранулирования кормов одноматричным прессом с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом
- Методика оптимизации параметров зубчатых колес шестеренного пресса
- Результаты исследования параметров пресса кормов с равновеликими колесами в диапазоне увеличенных диаметров
Введение к работе
В настоящее время, в период перехода к рыночным отношениям, необходимо обеспечить выполнение комплекса мероприятий с целью улучшения благосостояния народа и обеспечения продовольственной безопасности страны.
Одним из основных мероприятий, в этой связи, является производство сельскохозяйственной продукции, в том числе продукции животноводства. Количество и качество животноводческой продукции в значительной степени зависит от кормления животных.
Скармливание животным кормов и кормосмесей в гранулированном виде имеет целый ряд преимуществ, таких как уменьшение объемов складских помещений для хранения; улучшение перевариваемости кормов; длительное сохранение исходного состояния ингредиентов кормосмесей и их питательной ценности при хранении; уменьшение потерь при транспортировании, хранении, дозировании и раздаче. Грануляторы выпускаются целым рядом предприятий, но имеют производительность от 0,8 т/ч и выше, т.е. такие грануляторы выпускаются для средних и больших хозяйств. Для мелких же и фермерских хозяйств эта задача пока не решена. Число таких хозяйств в последние годы интенсивно увеличивается и здесь сосредоточено более половины производства всей животноводческой продукции.
Наибольшее распространение среди грануляторов получили матричные прессы. Широко применяются штемпельные (поршневые) прессы. Из прессов, имеющих непрерывный технологический процесс, низкую материало- и энергоемкость, наиболее перспективными являются шестеренные. Однако до настоящего времени нет достаточно четкого научного обоснования параметров технологического процесса и оптимальных параметров прессов небольшой производительности, которые можно использовать в личных и фермерских хозяйствах.
Методологической основой для решения проблемы совершенствования процесса и технических средств для гранулирования кормосмесей в условиях фермерских хозяйствах в сфере прессования, брикетирования и гранулирования являются работы таких ученых, как В.П. Горячкина, Е.М. Гутьяра, И.А. Долгова, В.И. Особова, А.В. Голяновского, В.Ф. Некрашевича, В.И. Щербины и др.
Дель исследования. Обоснование параметров и режимов энергосберегающего процесса гранулирования кормов одноматричным шестеренным прессом.
Объект исследования. Процесс гранулирования кормов одноматричным шестеренным прессом.
Предмет исследования. Закономерности рабочего процесса гранулирования кормовых смесей одноматричным шестеренным прессом.
Защищаемые положения:
- конструктивно-технологическая схема одноматричного пресса для гранулирования кормов в фермерских хозяйствах;
- аналитические взаимосвязи параметров эвольвентного профиля зубьев матрицы и прессующего колеса с производительностью и затратами энергии на производство кормовых гранул одноматричного гранулятора с большим колесом-матрицей и малым прессующим;
- модели зависимости объемных характеристик матрицы от параметров зубчатого венца для равновеликих колес в диапазоне больших диаметров, для равновеликих колес в диапазоне минимальных диаметров, а также для большого колеса-матрицы в сопряжении с малым прессующим зубчатым колесом;
- научно обоснованные параметры и режим работы одноматричного пресса кормов с большим зубчатым колесом-матрицей и малым прессующим зубчатым колесом.
Научная новизна работы заключается в разработке энергосберегающего процесса гранулирования кормов путем применения способа порционного сжатия корма в межзубовом пространстве зубчатых колес в новой конструктивно-технологической схеме пресса с одной большой матрицей и малым прессующим колесом, а так же в анализе и обобщении теоретических положений и производственных исследований, в результате которых:
• определены зависимости влияния параметров пресса на подачу кормовой смеси в зону сжатия, а также на крутящий момент прессующего колеса и энергоемкость процесса гранулирования кормов в одно-матричном шестеренном прессе;
• предложены математические модели объемной подачи в шестеренном прессе, позволяющие оценить количество корма в межзубовых пространствах колес при различном сочетании их параметров, а так же производительности одно-матричного шестеренного пресса, энергоемкости процесса гранулирования кормов и крошимости полученных гранул;
• установлены рациональные параметры и режим работы одно-матричного шестеренного пресса.
Практическая ценность. Разработан энергосберегающий процесс гранулирования кормов шестеренным прессом новой конструкции, применение которого позволило разработать:
• конструктивно-технологическую схему малогабаритного пресса для гранулирования кормов в сельхозпредприятиях, обеспечивающего снижение энергоемкости на 35 % в сравнении с прессом типа ДГ;
• методику инженерного расчета параметров и режима работы одно-матричного шестеренного пресса.
Актуальность производства кормовых гранул
Гранулирование кормов имеет ряд преимуществ перед заготовкой кормов в рассыпном виде. Важнейшее преимущество в сохранении питательных веществ на длительный период хранения и в, практически полном исключении механических потерь при их транспортировании, дозировании и раздаче. Однако применяется технология гранулирования кормов на крупных комбикормовых заводах со значительными объемами производства. В небольших хозяйствах и у фермеров зерноотходы скармливаются практически без переработки. Причина в отсутствии малогабаритного оборудования и в довольно высокой энергоемкости технологического процесса.
В настоящее время прессованные кормовые смеси используются в животноводстве, птицеводстве, звероводстве и рыбоводстве. Установлено, что прессование повышает биологическую полноценность белка, улучшает усвоение питательных веществ и лекарственных препаратов, облегчает скармливание. Гранулирование позволяет более равномерно распределять ингредиенты корма и различных добавок, исключает их сепарацию в процессе применения.
Ряд исследований посвящен обогащению гранулированных кормов биологически-активными веществами, витаминными и лекарственными добавка ми. При этом повышается прочность гранул, эффективность процесса прессования и улучшаются питательные и лечебные свойства.
Результаты научных исследований и производственных опытов в области кормопроизводства и животноводства говорят об эффективности применения прессованных кормов в сочетании с добавками.
По данным Ладыгина Е.А./1/, при лечении с./х. животных кормолекар-ственными смесями (КЛС) в гранулированном виде, значительно повышается эффективность их применения. Оценка эффективности применения кормоле-карственных гранул для профилактики и лечения заболеваний животных показала, что из-за невысокой температуры нагрева смеси при гранулировании разрушения структуры лечебного препарата не происходит. Так же эффективность лечения заболеваний лекарственными гранулами по сравнению с рассыпными КЛС повышается. Это объясняется более высокой однородностью смеси и более полной переваримостью гранул. Кроме того, кормолекарствен-ные гранулы не оказывают раздражающего воздействия лекарственного препарата при дыхании на слизистую оболочку животных при поедании. Можно избежать потери при транспортировке, хранении и раздаче КЛС животным.
Исследованиями /2,3,4,5,6,7,8,9 и др./ выявлены возможности создания оборудования для гранулирования кормов со значительно сниженными затратами энергии. Для этого предложено заменить способ сплошного прокатывания материала по поверхности перфорированной матрицы на порционное сжатие в канале прессования, расположенном в межзубовой впадине зубчатой матрицы. Шестеренные прессы исследуются более двух десятков лет. Они имеют довольно низкую энергоемкость технологического процесса за счет следующих обстоятельств: - исключено сплошное прокатывание материала по всей внутренней поверхности матрицы; - нет необходимости перемещать сжатый корм с перемычек между отверстий под давлением, которое более чем вдвое превышает необходимое для сжатия корма в гранулы; - отсутствует выделение громадного количества тепла в окружающую среду в силу исключения большой доли трения корма по поверхностям рабочего органа; - увеличена доля суммарной площади каналов прессования по отношению к общей площади матрицы.
Поэтому шестеренные прессы характеризуются большой удельной производительностью — отношением массы производимых гранул к единице общей площади матрицы. Шестеренный тип пресса наиболее подходит для создания малогабаритного оборудования для фермерских хозяйств.
Гранулирование продуктов, как вид их прессования, достаточно распространено на зерноперерабатывающих предприятиях. Особенно широко оно применяется на промышленных комбикормовых предприятиях для производства гранулированных комбикормов, объем производства, которых составляет более 20 % от их общей массы.
Гранулированные комбикорма имеют следующие преимущества перед рассыпными: изменяется структура продукта, повышается усвояемость, снижается бактериальная загрязненность, улучшаются условия хранения, отсутствует самосортирование на отдельные компоненты; комбикорм не распыли-вается, занимает меньший объем; лучше дозируются, витамины и другие активные вещества, а так же жиры, лучше защищены от окисления.
В настоящее время процессы гранулирования и брикетирования в технологии зерноперерабатывающих предприятий реализуются шнеково-матричными и валково-матричными прессами. Валково-матричные прессы постоянно совершенствуются и выпускаются в достаточном количестве и самых разнообразных конструкций как отечественными, так и зарубежными производителями.
Ранее производством прессов небольшой производительности, в основном для гранулирования травяной муки (ОГМ — 0,8 А, ОГМ — 1,5), занимались заводы сельскохозяйственного машиностроения. Однако к настоящему времени производство их практически прекратилось.
На протяжении длительного времени отечественные комбикормовые предприятия на операциях гранулирования оснащались установками типа ДГ. Основной комплект оборудования производился объединением «Роспрод-маш», которое в течении нескольких десятилетий специализируется на производстве прессов-грануляторов разного назначения /10/.
Установка Б6 - ДГВ — предназначена для гранулирования комбикормов с последующим охлаждением, измельчением и просеивания гранул и крупки. Технические характеристики установки Б6 - ДГВ: производительность на матрицах диаметром 406 мм, роликах диаметром 180 мм, отверстиях 4,7 и 7,7 — 8,0; 8,5 т/ч; отверстиях 9,7; 12,7 и 19 мм 9,0 -11 т/ч. На матрицах диаметром 500 мм, роликах диаметром 220 мм производительность от 12 до 15 т/ч.
Рабочий процесс гранулирования кормов одноматричным прессом с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом
Кормовая смесь из дозатора поступает в бункер. Из бункера поступает во впадины большого колеса, которое является матрицей. Во впадинах между зубьями матрицы профрезерованы радиальные каналы прессования прямоугольного сечения. Матрица является активным зубчатым колесом. Крутящий момент от электродвигателя через редуктор передается большому колесу, от которого вращается малое прессующее колесо. Малое зубчатое колесо не имеет каналов прессования. Оно служит для вдавливания корма в каналы матрицы. Технологическая схема пресса приведена на рисунке 2.2.
Кормовая смесь (комбикорм) из бункера поступает к зубчатым колесам. Вращающиеся колеса головками зубьев захватывают корм и втягивают внутрь. Корм во впадине колеса-матрицы сжимается зубом малого прессующего колеса. Когда давление сжатия корма превысит сопротивление в канале прессования, начнется проталкивание порции корма. Впрессованная порция корма в канале прессования находится под некоторым напряжением в течении промежутка времени, пока матрица не завершит полный оборот и вновь в этот канал будет подана новая порция сжатого корма. Предыдущая порция вторично подвергнется сжатию и продвинется по каналу прессования на один шаг. Одновременно в канале прессования могут находиться от 30 до 60 порций. Время нахождения корма в канале прессования определяет стадию релаксации напряжений в корме, когда значительная часть упругих деформаций переходят в пластические. На выходе из каналов прессования во внутренней полости колеса матрицы расположен нож — обламыватель. Гранулы выходят из каналов прессования сплошным монолитом. Нож — обламыватель устанавливается на заданном расстоянии от выхода из каналов прессования. Обычно это расстояние равно от 1,5 до 2,5 диаметров гранулы. Сплошной монолит разделяется на отдельные гранулы. Гранулы с крошкой поступают на перфорированный цилиндр сепаратора. Чистые гранулы выводятся из гранулятора. Крошка возвращается в бункер и вновь подвергается гранулированию.
Физические процессы в кормовой смеси в процессе приготовления из нее гранул можно описать следующим образом.
Кормовая смесь представляет собой сплошную трехфазную среду с равномерным распределением частиц корма по объему. Твердая фаза представлена сухим веществом корма. Жидкая фаза состоит из капиллярной и свободной влаги на поверхности частиц. Газообразная фаза — это воздух между частицами корма и внутри самих частиц. Корм захватывается зубьями колес и втягивается в зону сжатия. При этом часть воздуха выдавливается из среды и кормовая смесь частично уплотняется. При вхождении зуба прессующего колеса в межзубовое пространство матрицы, обособляется порция корма и начинается второй этап сжатия — сжатие в замкнутом пространстве по аналогии со сжатием в закрытой камере. По мере проворачивания колеса из кормовой смеси удаляется значительная часть газовой составляющей. Частицы корма не только сближаются, но и деформируются. При этом на их поверхностях между молекулами твердого тела и молекулами воды образуются гидроксильные группы. Образование твердого тела из рассыпного корма происходит за счет проявления межмолекулярных сил. Сжатая порция подается в канал прессования. Корм находится под большим давлением. Напряженное состояние корма поддерживается в течении определенного периода времени. Растительный корм обладает упруго-вязкими свойствами. Под действием большого напряжения в корме осуществляется, усталостные деформации скелетной части, т. е. происходит перераспределение упругих деформаций в пользу пластических.
Процесс релаксации напряжений весьма длительный. По данным исследователей /5,27,28/ для достаточного упрочнения гранул необходимо выдерживать корм в канале прессования под давлением от 10 до 60 секунд. Конкретные значения выдержки зависят от состава кормовой смеси.
По рассмотренной ранее классификации шестеренных прессов схема с одной большой матрицей и малым прессующим колесом относится к выдавливающим устройствам. Они могут быть горизонтальными и вертикальными. По характеру воздействия — лопастные и плунжерные. По профилю зубьев со стандартным эвольвентным или иным оригинальным профилем зубьев. Из всего многообразия объектом исследования нами избран вертикальный пресс со стандартным эвольвентным профилем зуба.
Методика оптимизации параметров зубчатых колес шестеренного пресса
Как показали более ранние исследования /1...3,17...20,28,29/, наибольшее влияние на угол образования закрытой камеры во впадинах колес и обособленную массу корма под зубом оказывает целый ряд факторов: конструктивных, технологических и других. В большой степени на указанные показатели влияют конструктивные параметры зубчатых колес: модуль и число зубьев колес, а также угол зацепления профиля зубьев.
В связи с этим, методика оптимизации параметров прессующих колес, заключается в планировании активного, многофакторного эксперимента /38/. Изменяемыми факторами в эксперименте были приняты: - модуль зуба; - число зубьев; - угол зацепления профиля зубьев.
Для осуществления активного, многофакторного эксперимента был принят план Бокса-Бенкина для трех факторов на трех уровнях варьирования. Он относится к группе почти Д - оптимальных планов, у которых дисперсия воспроизводимости результатов эксперимента равномерно распределена по всем точкам поверхности отклика. Поэтому математическая модель, полученная на основе таких планов, имеет одинаковую статистическую характеристику по всем направлениям.
План эксперимента представлен в таблице 3.2. Число зубьев колес, принято исходя из цели каждого исследования.
Модуль зуба выбран от 12 до 20 мм, чтобы соответствовать требованиям стандарта на размеры поперечного сечения готовых гранул.
Для определения диапазона изменения угла исходного профиля производящей рейки, использовался анализ априорной информации по теории зубчатых передач. Несколько десятилетий назад, широко использовались зубчатые передачи с углом зацепления 15/48...54/. Сейчас самое широкое распространение имеют передачи с углом зацепления 20. Однако, известны многочисленные примеры исполнения зубчатых передач в области редукторострое-ния с углом зацепления 22,5/48...54/. Исходя из этого изменение угла зацепления исходного профиля зубьев производилось в пределах от 15 до 20.
Критерием оптимизации избран угол образования закрытой камеры и площадь фигуры под зубом в этот момент (рисунок 3.3).
Опыты осуществлены по методике геометрического моделирования. Геометрическое моделирование зубчатых колес пресса в соответствии с выбранными значениями факторов - i %2»- з соответствовало процессу сжатия корма под зубом прессующих колес. Профилирование колес и проведение опытов по определению значений площади фигуры и угла образования закрытой камеры во впадинах колес осуществлялись при помощи компьютерной программы КОМПАС - 3D V7+. Профили зубчатых колес располагались на расчетном межцентровом расстоянии. При повороте колес определялись значения угла образования закрытой камеры во впадинах и площади фигур под зубом в этот момент. Площадь фигуры под зубом прямо пропорционально влияет на объем корма под зубом и, следовательно, на массу обособленной порции корма. Опыты проводились в трехкратной повторности. Затем определялись средние значения.
В результате реализации плана эксперимента и последующей обработки опытных данных по методике многофакторного планирования /42/ функция отклика на критерий оптимизации получится в виде полинома второго порядка: У = а0 +а1х1 +а2х2 +а3х3 + апххх2 +ахъхххъ + а23х2х3 + аих{ + а22х2 +азъхъ (3.1)
Адекватность математической модели оценивается по критерию Фишера, как соотношение оценки дисперсии расхождения расчетных значений с опытными и оценки дисперсии воспроизводимости опытов в эксперименте.
Анализ математической модели осуществляется аналитически как исследование непрерывной функции на максимум (экстремум). Затем находится значения корней полинома, для этого находятся частные производные функции и решаются системы уравнений. Решение систем уравнений позволяет получить значения факторов при которых можно увидеть максимальные и минимальные значения критериев оптимизации. Следующий этап работы заключается в построении поверхностей отклика для наглядного представления влияния факторов на критерии оптимизации. Поверхности отклика строятся при помощи компьютерной программы Microsoft Excel 2003, путем подстановки оптимальных значений факторов в математические модели типа (3.1), полученных при решении систем уравнений. При этом значение одного фак тора фиксируются, а два других варьируют от -1 до +1. Анализ завершался наглядным пространственным изображением поверхностей отклика и выбором значений факторов в оптимальной зоне.
Результаты исследования параметров пресса кормов с равновеликими колесами в диапазоне увеличенных диаметров
Была определена объемная (насыпная) масса кормовых смесей взвеши-ванием отмеренных объемов кормовых смесей, которая равна 550-660 кг/м (таблица 1.1).
Влажность кормовых смесей определялась взвешиванием отобранных проб кормов в процессе их высушивания при температуре 105С до установления постоянного значения массы проб в трех последних измерениях /56/. ;=Ео Е100о/0 (4.1) где: то и т — масса навесок корма до и после высушивания. Исходная влажность кормовой смеси составляла 7 %. Коэффициенты трения кормовых смесей по стальным, обработанным до шероховатости RzlO поверхностям определены в состоянии покоя и в движении (таблица 4.1).
Комбикорм для свиней Комбикорм для КРС Смесь учхоза ДГАУ 0,42 + 0,05 0,44 ± 0,03 0,47 ± 0,01 0,31 ± 0,03 0,35 ± 0,03 0,37 ± 0, При гранулировании рассыпных материалов шестеренным прессом процесс уплотнения происходит поэтапно. На первом этапе вращающиеся навстречу друг другу зубчатые колеса втягивают материал, поступающий из бункера-питателя, и сжимают его. Далее происходит обособление порции материала во впадине колеса в момент образования закрытой камеры. При этом, чем больше объем закрытой камеры, тем большая порция материала будет продавливаться в матричный канал и, следовательно, это будет способствовать увеличению удельной производительности пресса /57,58/. Таблица 4.2 — Матрица планирования эксперимента, значения факторов и средние значения площади фигуры под зубом в момент образования закрытой камеры В связи с этим целью данного исследования было определение оптимальных значений основных конструктивных параметров колес (модуля, ш; числа зубьев, Z; и угла зацепления, СС\ которые соответствуют максимальной площади фигуры под зубом (S) в момент образования закрытой камеры. Таьс же контролировались значения угла образования закрытой камеры ifp) под зубом прессующего колеса.
Для выполнения указанной цели в соответствии с планом эксперимента было проведено исследование по известной методике /42/ результаты которого занесены R таблицу 4.2.
После реализации эксперимента и обработки данных были получены математические модели в виде функций отклика на изменение вышеуказанных факторов. - натуральное значение интервала варьирования фактора. Раскодированные уравнение регрессии для площади фигуры под зубом и угла образования закрытой камеры выглядят следующим образом: 8фиг = 241,98 - 8,6 \т + 10,79z - 24,34а - 0,83/wz -2та + 0,5 %za (4.7) - угол образования закрытой камеры, град т - модуль зуба, мм; Z — число зубьев, шт; & угол зацепления, град. Анализ результатов исследований (уравнения 4.2 и 4.3) показывает, что:
1. Площадь фигуры под зубом в момент образования закрытой камеры увеличивается по мере увеличения модуля зубьев равновеликих колес. Увеличение числа зубьев колес и угла зацепления способствует уменьшению площади фигуры под зубом.
2. Уменьшение модуля, угла зацепления и числа зубьев способствует более раннему образованию закрытой камеры во впадинах колес.
Шестеренный пресс формирует гранулы в отверстиях, расположенных в межзубовых впадинах. Прессующие колеса равновеликие с эвольвентным профилем зубьев по ГОСТ 13 755-81. Колеса захватывают кормосмесь и при образовании под зубом замкнутого пространства вытесняют ее из межзубовой впадины в канал прессования. Основываясь на результаты ранее проведенных исследований /57,58/ можно отметить, что эффективность процесса зависит от момента образования замкнутого пространства и площади фигуры под зубом в этот момент.
связи с этим целью данного этапа исследования было получение математических моделей в виде функций отклика на изменение модуля эвольвентного зуба от 12 до 18 мм., числа зубьев от 12 до 20 шт. и угла зацепления профиля зубьев от 10 до 20. В качестве фушщий отклика были приняты угол образования закрытой камеры и площадь фигуры под зубом во впадинах колес. Затем на основе полученных моделей были получены поверхности функций отклика для выявления оптимальных значений модуля, числа зубьев и угла зацепления /59/.
