Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и направление совершенствования кормоприготовительных машин 13
1.1. Зерновое сырье для производства высококачественных кормов и требования к его приготовлению 13
1.2. Технологические линии для приготовления высококачественных кормов 20
1.3. Классификация и конструктивные особенности машин с винтовыми прессующими рабочими органами 22
1.4. Классификация измельчителей кормов 28
1.5.Структурная модель процессов формирования и совершенствования работы машин для кормоприготовления 38
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 42
2. Моделирование технологических процессов кормоприготовительных машин 44
2.1. Формирование структуры математической модели приготовления высококачественных кормов 44
2.2. Концептуально-системные аспекты моделирования процесса транспортирования и прессования кормов винтовыми рабочими органами ..46
2.2.1. Особенности технологии перемещения кормов в винтовых транспортерах 57
2.2.2 Теоретические основы прессования кормов 61
2.2.3 Состояние теории движения материалов в выходных устройствах прессующих машин 75
2.3 Концепция функционирования винтовых прессующих машин 78
2.4 Исследование вязко-пластического поведения кормов при экструдировании и экспандировании 82
2.4.1 Анализ течения степенной жидкости между параллельными пластинами 83
2.4.2 Исследование потока в пограничном слое 89
2.4.3 Анализ влияния пружины на работу экспандера 92
2.4.4 Анализ истечения вязко-пластической жидкости из фильер 100
2.4.5 Анализ напряженного состояния кормов 102
2.4.6 Аналитические исследования параметров эффекта работы экструдеров 107
2.4.7 Совершенствование экструдера с боковым расположением фильер... 109
2.4.7.1 Определение мощности привода экструдера с боковым расположением фильер 114
2.4.7.2 Объемно-напряженное состояние цилиндрического резервуара 116
2.4.7.3 Анализ истечения вязко-пластической жидкости через насадок 119
2.5 Обоснование тепломассообменных процессов 121
2.6 Обоснование математической модели измельчения зерна 126
2.6.1 Влияние конструктивных параметров рабочих органов дробилки на процесс измельчения зерна 135
2.6.2 Уравнение движения рабочего органа дробилки 137
2.6.3 Обоснование параметров дробилки кукурузы 143
2.6.4 Энергетическая оценка процесса измельчения зерна 147
2.6.5 Расчет пневмоклассификатора измельченных частиц 149
2.6.6 Расчет дробилки с аэродинамической эвакуацией измельченных частиц 150
2.6.7 Анализ качества разрушения зерна 152
3. Методика экспериментальных исследований 154
3.1 Структура методики оптимизации процесса кормоприготовления 154
3.2 Общая методика экспериментальных исследований экспандера 157
3.3 Верификация теоретических исследований экструдера монокорма и монорациона 159
3.3.1 Методика проведения оптимизационных экспериментов по экструдированию монорациона и монокорма 161
3.4 Методика экспериментальных исследований экструдера с боковым расположением фильер 162
3.4.1. Определение внутреннего давления прессуемого материала в сменных насадках 166
3.5 Методика исследования процесса разрушения сырого и термообработанного зерна пшеницы 169
3.5.1 Анализ процесса разрушения зерна кукурузы 170
3.5.2 Определение аэродинамических свойств семян 172
3.5.3 Экспериментальная молотковая дробилка 173
3.5.4 Методика экспериментальных исследований дробилки кукурузы 177
4. Идентификация процессов винтовых прессующих машин 178
4.1 Анализ влияния свойств жидкообразных кормов на конструктивно-режимные параметры механизмов 179
4.2 Исследование сдвиговых напряжений твердых кормов 182
4.3 Исследование твердообразных кормов : 184
4.4 Исследование процесса разрушения термообработанного зерна 187
4.4.1 Устройства для термообработки зерна 188
5. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований 191
5.1 Результаты исследований экспандера 191
5.2.Результаты экспериментальных исследований экструдера 192
5.2.1 Результаты сравнительных экспериментов 192
5.2.2 Результаты оптимизационных экспериментов 194
5.2.3. Результаты определения качества экструдата 198
5.3. Результаты исследования молотковой дробилки для термообработанного зерна 198
5. 4. Результаты исследований дробилки кукурузы 199
5 5.5. Обработка и анализ экспериментальных исследований экструдера с боковым расположением фильер 200
6.Основы разработки конструкций 206
6.1 Некоторые технические решения, повышающие эффективность винтовых прессующих машин 207
6.2. Совершенствование транспортирующих машин 209
6.2.1 Двухшнековый смеситель кормов 209
6.2.2. Бункерный питатель измельчителя грубых кормов 210
6.3 Совершенствование брикетировщиков 214
6.3.1. Винтово-скребковый брикетировщик 214
6.3.2 Питатель брикетного пресса 214
6.3.3 Брикетировщик кормов повышенной влажности 217
7. Технико-экономическое обоснование результатов исследований 219
7.1 Дробилка кукурузы 219
7.2. Молотковая дробилка для термообработанного зерна 224
7.3 Экспандер 230
7.4 Экструдер монорациона 235
7.5 Экструдер монокорма 241
7.6 Экструдер с боковым расположением фильер 246
Общие выводы и предложения 252
Литература 256
Приложения 283
- Зерновое сырье для производства высококачественных кормов и требования к его приготовлению
- Концептуально-системные аспекты моделирования процесса транспортирования и прессования кормов винтовыми рабочими органами
- Методика экспериментальных исследований экструдера с боковым расположением фильер
- Анализ влияния свойств жидкообразных кормов на конструктивно-режимные параметры механизмов
Введение к работе
Производство и приготовление кормов является основой современного животноводства, т.к. затраты на кормление достигают 80% общей себестоимости продукции. Однако качество кормового сырья даже непосредственно после уборки не всегда отвечает необходимым требованиям, например, в средней полосе России 52% зерна пшеницы чаще всего соответствует лишь 5 классу качества (аналогичная картина для Южного Урала и Северного Казахстана), хранение значительно снижает эти показатели.
При проектировании кормоприготовительных машин и выбора технологии приготовления кормов необходимо исходить из качества исходных компонентов. Если качество кормового сырья соответствует требованиям отраслевых стандартов, то для приготовления кормов из них достаточно применить технологии, направленные на изменение формы и размеров частиц, адаптированных к видам и половозрастным особенностям животных. Это может быть технология измельчения и для приготовления кормов из зерна пшеницы по этой технологии эффективнее всего использовать молотковые дробилки из-за их универсальности, простоты, надежности и других преимуществ. Зерно кукурузы по причине физико-механических и биологических особенностей строения эффективнее всего измельчать роторными дробилками, совмещающими в технологическом процессе вместе с ударом резание со скольжением, что снижает общие энергозатраты.
Если кормовое сырье незначительно несоответствует требованиям стандартов, то можно скорректировать показатели, например, термической обработкой, это улучшит физико-механические свойства зерна, снизит бактериологическую обсемененность и прочностные характеристики материала, что положительно повлияет и на энергоемкость измельчения.
При значительных несоответствиях требуются воздействия энергоемких технологий, влияющих на изменение химических показателей
9 кормов, повышение усваиваемости и уничтожение вредной микрофлоры. Этим требованиям больше других соответствуют винтовые прессующие машины, которые позволяют получить корма в широком диапазоне структурных изменений:
- смешивание без разрушения целостной структуры материала;
- брикетирование и гранулирование, степень уплотнения при этом
ограничена ГОСТом, адаптирующим корма к физиологическим
особенностям животных;
- экструдирование и экспандирование, при которых достигается уплотнение
кормов до молекулярного уровня и водородного соединения частиц, это
приводит к изменениям химических свойств кормов
Винтовые прессующие машины отличаются от других простотой, удобством эксплуатации, отвечают критериям тру до-, энерго-, ресурсосбережения и экологической чистоты. Однако большая энергоемкость процесса, особенно при высокой степени уплотнения, позволяет достичь эффективности кормоприготовления только рационализацией проведения операций, оптимизацией конструктивно -режимных парамеров машин.
Комплексная разработка оптимальных технологических процессов на базе машин с винтовыми прессующими рабочими органами и дробилок зерна, экономически выгодных для фермеров и позволяющих повысить продуктивность животноводства, является ключевой проблемой на сегодняшний день.
Работа выполнена в период 1990 - 2008г.г. в Оренбургском сельскохозяйственном институте (государственном аграрном университете) по теме «Разработать предложения по совершенствованию средств механизации и автоматизации сельскохозяйственных технологических процессов и методов их исследований» (номер государственной регистрации 01860081270), и Костанайском инженерно-экономическом университете им. М. Дулатова по теме: «Провести маркетинговые исследования и разработать
10 рекомендации и предложения по повышению эффективности и конкурентоспособности сельскохозяйственного производства», номер государственной регистрации 0107РК00163.
Цель исследования: Повышение эффективности кормоприготовления совершенствованием конструктивно — режимных параметров винтовых прессующих машин и дробилок зерна.
Объект исследования: технологические процессы прессования кормов винтовыми прессующими машинами и дробления зерна.
Предмет исследования закономерности взаимодействия кормов с деталями винтовых прессующих машин и дробилок зерна.
В соответствии с общим состоянием вопроса и целью исследований необходимо решить следующие задачи:
1 .Разработать структурную модель процесса формирования и совершенствования работы машин для приготовления высококачественных кормов. 2.Обосновать теоретически и экспериментально:
закономерности взаимодействия кормов с рабочими поверхностями винтовых прессующих машин и выявить их влияние на эффективность кормоприготовления при глубокой переработке материалов;
повышение эффективности использования концентрированных кормов термической обработкой и последующим дроблением;
эффективность дробления зерна кукурузы.
3.Уточнить реологические свойства кормов в условиях их деформирования
винтовыми прессующими машинами.
4.На основе разработанных методик обосновать:
снижение величины работы, необходимой для разрушения термически обработанного зерна;
конструктивные параметры рабочего органа дробилки зерна кукурузы;
рабочую поверхность винта шнека.
11 5.Предложить технические решения винтовых прессующих машин и дробилок, повышающие эффективность приготовления кормов. 6. Обосновать технико-экономические показатели приготовления кормов винтовыми прессующими машинами и дробилками зерна.
Научная новизна работы заключается: - в разработке научно — теоретического и методического обеспечения, позволяющего повысить эффективность работы винтовых прессующих машин и дробилок зерна;
в обосновании математических моделей дробления зерна, экспандирования и экструдирования кормового сырья;
в разработке частных методов определения реологических свойств кормов для условий деформирования винтовыми прессующими машинами, а также новых методов определения отдельных конструктивных параметров кормоприготовительных машин;
в создании новых конструкций винтовых прессующих машин и дробилок зерна.
Практическая ценность работы заключены в разработке:
Методических материалов "Моделирование технологического процесса приготовления кормов винтовыми прессующими машинами", рекомендованых к внедрению Управлением технической политики МСХ РК.
Материалов исследований вошедших в программу "Стратегия развития кормопроизводства Костанайской области на 2007-2010 годы".
- Конструкций смесителей, питателей, брикетировщиков, экспандера,
экструдеров, молотковой дробилки термически обработанного зерна
пшеницы и роторной дробилки зерна кукурузы, отличающихся низкими
удельными энергозатратами.
-Установлении оптимальных технико-технологических характеристик и режимных параметров разработанной техники.
На защиту выносятся следующие положения:
- Структурная модель процесса формирования и совершенствования работы
машин для приготовления высококачественных кормов.
Математические модели зависимости эффективности винтовых
прессующих машин и дробилок зерна от факторов, значимо влияющих на процесс.
Частные и общие методики исследований.
Новые конструкции винтовых транспортирующих и прессующих устройств и дробилок зерна.
Обоснование экономической эффективности предложенных разработок.
Зерновое сырье для производства высококачественных кормов и требования к его приготовлению
Развитие животноводства, повышение его эффективности связаны прежде всего с ростом поголовья и продуктивности животных, переводом производства животноводческой продукции на промышленную основу. При этом организация полноценного кормления животных является одним из главных условий, что обосновывает необходимость разработки эффективных технических и технологических решений. Следует также учесть, что в себестоимости животноводческой продукции по отдельным видам и половозрастным группам животных до 80% составляют расходы на корма [1]. В организации научно обоснованного кормления сельскохозяйственных животных большое значение придается комбикормам. Практика показала, что при использовании полнорационных комбикормов можно значительно увеличить производство молока, мяса, яиц и других продуктов животноводства при одновременном снижении затрат кормов на их производство [2]. Кроме того, необходимо использовать отходы переработки зерновых культур: лузги риса, подсолнечника, кукурузной кочерыжки и др., так как установлено, что последние обладают большой питательной ценностью и в определенном соотношении могут заменить высококачественные корма. За рубежом широко используется высокобелковое сырье, вторичные продукты переработки спиртовой, пивоваренной, крахмалопаточной, молочной и других отраслей. В общем балансе кормов доля концентратов составляет 32-33%, в перспективе этот показатель составит 33-38%), а в производстве протеина -37-38%.[3] В валовом производстве зерна преобладают культуры продовольственного направления (пшеница, рожь - 64-65%), что создает излишек такого зерна, снижение цен при использовании его на кормовые цели и более низкую эффективность при производстве продуктов животноводства. Вместе с тем, к сожалению, низкой остается доля зернобобовых (2,6%) и кукурузы (3,5%), недостаточно производится жмыхов и шротов, рыбной и мясокостной муки. В результате неудовлетворительной структуры производимого зернофуража на производство животноводческой продукции затрачивается в 1,4-1,6 раза больше концентрированных кормов по сравнению с нормативами. При производстве комбикормов недостающее белковое сырье закупается за границей, что удорожает их стоимость и делает недоступными для большинства хозяйств [3].
Производство качественных продуктов животноводства и интенсификация этой отрасли непосредственным образом связаны с объемами и структурой производства фуражного зерна. Разработка систем кормления животных направлена на полную реализацию потенциала их продуктивности и экономное расходование зерна, решение проблем увеличения производства растительного, животного и микробиологического белка, совершенствование технологии приготовления грубых, сочных и концентрованных кормов.
Опыты, проведенные в КазНИТИО показали, что питательность 1 кг корма из зернофуражных культур (ячмень) составляет 0,4 корм.ед., 33 мг переваримого протеина и 10-20 мг каротина, а зеленого концентрата -соответственно 0,77; 58,8 и 30 мг. Однако замечено, что при скармливании таких кормов без предварительной подготовки оно плохо переваривается организмом животных, в результате чего значительная часть скормленного зерна выходит целым в экскременты [4]. Это объясняется наличием в составе компонентов зерна клетчатки, которая относится к трудноусваиваемым углеводам группы «грубых» пищевых волокон - целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, а также «мягких» пищевых волокон: пективных веществ, камеди, декстрина. Клетчатка не растворяется в воде, молекулы целлюлозы образуют тончайшие нити (мисцеллы) - толщиной 50-100 А, при попадании воды на зерно происходит набухание, возникает водородная связь [5-10], все это снижает усваиваемость зерна.
Для повышения переваримости зерно необходимо переработать, тем самым увеличить его усваиваемость животными, используя для этого энергоемкие технологии. Анализ современного состояния отрасли молочного скотоводства Российской Федерации и Казахстана показывает, что низкий уровень продуктивности обусловлен плохой сбалансированностью рационов, низким качеством объемистых и концентрированных кормов, их высокой стоимостью, а также недостаточным продуктивным генетическим потенциалом коров.
Согласно данным [11], в структуре себестоимости производства молока затраты на корма, несмотря на то, что они в основном собственного производства, достигают 60% и составляют в расчете на 1 ц молока 1,46 ц корм, ед., т. е. экономический эффект достигается успехами в кормлении или уровнем затрат питательных веществ на единицу произведенной продукции.
Производство молока имеет положительную связь с уровнем кормления и обратную с долей поддерживающего корма. При увеличении продуктивности с 12 до 32 кг в сутки доля поддерживающего корма в общем рационе снижается с 44,1 до 23,9%. В результате затраты обменной энергии на производство 1 кг молока уменьшаются с 11,3 МДж при удое в 12 кг до 7,4 МДж при удое в 40 кг, или в 1,5 раза. Такая закономерность снижения затрат питательных веществ возможна только при сбалансированном нормированном кормлении и соблюдении всех технологических параметров ведения отрасли. Однако, несмотря на то что по мере увеличения молочной продуктивности затраты кормов (сухое вещество, обменная энергия, сырой протеин и т.д.) на 1 кг произведенного молока снижаются, себестоимость его может возрастать. Связано это с тем, что высокая молочная продуктивность требует и соответствующего повышения как качества, так и стоимости кормов, при этом их стоимость может быть напрямую связана с их качеством на единицу произведенной продукции в денежном эквиваленте.
В животноводстве при оптимальных параметрах отрасли может быть использовано около 66 млн.т фуражного зерна, в том числе в скотоводстве — 47%, свиноводстве - 27% и птицеводстве - 20%. В структуре кормового зерна пшеница и ячмень составляют более 50%, кукуруза — 11%, зернобобовые - 12-13%, рожь и тритикале - 10% [3,12].
Концептуально-системные аспекты моделирования процесса транспортирования и прессования кормов винтовыми рабочими органами
Базовым вариантом для обоснования подхода к проектированию кормоприготовительных машин может быть международная система менеджмента качества ИСО 9001:2000 [108-110], так как имеет место совпадение целей - повышение эффективности, мерой оценки которой в нашем случае может быть масштабность процесса, показатели ресурсосбережения, качество получаемой продукции. Для качественного моделирования необходимо воспользоваться процессным и системным подходом международной системы [ПО]. Желаемый результат достигается эффективнее, когда деятельностью и соответствующими ресурсами управляют как процессом.
Основная цель процессного подхода — постоянное улучшение, которое основывается на разработках новой структуры моделей, ориентации на удовлетворение потребностей потребителей, анализе данных о функционировании системы, поддержание длительного устойчивого состояния системы в целом и ее элементов [110].
Концепция постоянного улучшения включает улучшение маленькими шагами и прорывами, периодическую оценку соответствия установленным критериям совершенства для определения области потенциального улучшения, постоянное повышение эффективности всех процессов. Для успешного функционирования система должна определить и управлять многочисленными взаимосвязанными процессами, использующими ресурсы и управляемыми с целью преобразования входов в выходы, при этом часто выход одного процесса образует непосредственно вход следующего. На рисунке 2.2 приведена карта процессов винтовых прессующих / машин. Здесь (%І - множество параметров эффекта; bj -физико-механические свойства кормов; Ъ2 — способ поступления кормов в загрузочное устройство; Ь3 - конструктивные особенности подающего механизма; Ь4 — соотношение между размерными характеристиками шнека и подающего устройства, влияющее на захватывающую способность шнека; с/ — конструктивные параметры транспортирующего винтового устройства; с2 -его режимные показатели; сз — степень заполнения межвиткового пространства шнека; ц - коэффициент полезного действия; dj, d2, d3 - свойства кормов: адгезионные, упруговязкие, реологические; у - скорость сдвига; ц -вязкость; DT - девиатор напряжений; De - тензор скорости, деформаций; R - число Рейнольдса; 12- квадратичный инвариант тензора скорости деформации; m - индекс текучести, Ар - грандиент давления, — коэффициент сжатия. Управляющие процессы направлены на организацию процесса, раскрывают цель процесса и технические требования к процессу. Вместе с эффективностью процесса товар получает добавленную стоимость, отражающую экономическую эффективность. Обеспечивающие процессы направлены на поддержание, контроль, корректировку и предупреждение возможных отклонений от нормативных требований. При описании процессов должны быть учтены компоненты, необходимые для его надлежащего фукционирования [111]: определить границы процесса; установить требования, предъявляемые к нему; идентифицировать входные и выходные потоки; определить основные показатели. В дополнение карты процессов разработана схема замкнутого процесса прессования, где корм поступает в загрузочное устройство, перемещается внутри машины и выходя из зоны транспортирования является входом в зону брикетирования и, далее, выход из этой зоны является входом в зону экспандирования и экструдирования кормов (рисунок 2.2.1) Ресурсы, необходимые для выполнения функционирования процесса в винтовой машине, это машины и оборудование, программное обеспечение для ЭВМ, вспомогательные материалы. Регламентирующие документы и методы контроля включают в себя методики планирования и проведения экспериментов, измеряемые параметры, характеристики процессов, методы их измерения и мониторинга, основные этапы и стадии процесса, необходимые для его дальнейшей декомпозиции. Этапы реализации процессного подхода направлены на систематизацию каждого этапа улучшения процесса в целом и элементов процесса в частности (таблица 2.1). Первый этап направлен на формирование фундаментальных ориентиров, опорных подсистем, второй устанавливает взаимное влияние элементов системы друг на друга, остальные ориентированы на выбор стратегии улучшения.
Методика экспериментальных исследований экструдера с боковым расположением фильер
Подготовку и проведение экспериментов осуществляли по плану Рехтшафнера (приложение 4). К вышеуказанным четырём факторам, добавился пятый - угол скоса торца витка винта. Так как угол трения материала корма о сталь варьирует в интервале 4 - 31 (в пересчёте на коэффициент трения), уровни варьирования выбраны 5, 15, 25 (таблица 3.4). Изменение угла скоса осуществляли при проведении эксперимента сменой вала экструдера. Варьирование остальных факторов осуществляли по ранее описанной методике. Результаты проведенных оптимизационных экспериментов получены с использованием компьютерной программы "MATLAB 6.5" - частота вращения шнека экструдера, об / мин; Х2 - количество воды, добавляемое в кормосмесь, г.; Х3 - значение длины фильер по отношению к сумме диаметров фильер; Х4 - количество соломы в кормосмеси, г.
В качестве базового объекта в настоящем исследовании взят экспериментальный одношнековый пресс - экструдер предназначенный для выпуска комбикормов и кормовых смесей, (выполнено Данилкиным А.П. под руководством автора). Техническая характеристика экструдера приведена в таблице 3.5. Факторы значимо влияющие на процесс экструдирования приведены в таблице 3.6., выбран и реализован план эксперимента Бокса-Бенкена для четырех факторов на трех уровнях [218] (приложение 5).
На рисунке 3.5 приведен общий вид экструдера и вид А. Экструдер состоит из загрузочной камеры 1, винта 2, корпуса 3, фильер 4. В правой части корпуса в конце винтового канала в зоне максимального уплотнения на боковой цилиндрической поверхности выходного торца экструдера выполнены фильеры, они расположены на одинаковом (максимально близком) расстоянии от торца, симметрично на поверхности корпуса экструдера. Количество и размерные характеристики фильер оптимизируются для каждого вида корма и производительности экструдера.
-165-Для упрощения регистрации и обработки использовали разработанное нами устройство с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с персональным компьютером. Для определения усилий, необходимых для работы шнекового прессующего механизма в процессе работы, разработано устройство регистрирующие показания тензодатчиков укрепленных на исследуемом узле -формующей насадке. Схема устройства приведена на рисунке 3.6. Устройство имеет следующие основные технические характеристики: источник питания ±12, +5 В; потребляемый ток 40 мА; разрешение по напряжению - 10 разрядов; время преобразования 120-150 мкс; диапазон входного напряжения от 0 до 400 мВ; точность преобразования ± 0.2 мВ.
Схема состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) М2 с операционным усилителем (ОУ) М5. Резистор R.2 смещает нулевой уровень диапазона преобразования. Стабилитрон Д задает опорное напряжение ЦАП. Аналоговый компаратор М4 сравнивает входное напряжение с напряжением от ЦАП и передает результат сравнения в порт компьютера. Преобразование осуществляется путем сравнения входного аналогового сигнала с некоторым образцовым (опорным) напряжением. Микросхема компаратора вырабатывает выходной цифровой сигнал с уровнем логической единицы или логического нуля в зависимости от соотношения уровней входного и образцового напряжений. Если напряжение на сигнальном входе больше образцового, вырабатывается сигнал с уровнем логической единицы, а если меньше, с уровнем логического нуля.
Входной операционный усилитель МЗ, усиливает входное напряжение UBX до необходимой величины. Прибор использовался и для регистрации одиночных сигналов с длительностью Юмкс.
Деформация на наружной поверхности цилиндра насадка с фильерами пропорциональна нормальному давлению на его внутреннюю поверхность, кроме того, накладываются термические деформации корпуса насадка, получающего тепло от разогреваемого прессуемого материала, поэтому измерения внутреннего давления осуществляли с помощью двух тензодатчиков, укрепленных на внешней поверхности корпуса так, что их измерительные оси взаимно перпендикулярны и проходят через выбранную точку поперечного сечения прессуемого механизма.
Направление измерительной оси одного параллельно оси шнека, а направление оси второго тензодатчика совпадает с окружным направлением наружной поверхности корпуса. Если полагать корпус
Анализ влияния свойств жидкообразных кормов на конструктивно-режимные параметры механизмов
Решение сложной научной проблемы по созданию новой техники для повышения эффективности технологического процесса приготовления кормов, является актуальным для современного механизированного животноводства. Эта проблема может быть решена за счет применения винтовых транспортирующих и прессующих машин, а также дробилок, способных оказать на обрабатываемый продукт комплексное воздействие. Такие универсальные и многоцелевые машины позволяют получить корма широкого диапазона структурных изменений, благодаря смешиванию (без разрушения целостной структуры материала), брикетированию и гранулированию (корма, адаптирующиеся к физиологическим особенностям животных), экструдированию и экспандированию (при которых изменения свойств кормов имеют глобальный характер). 2. Анализ отечественных и зарубежных тенденций развития аналогичных технологий и конструктивного оформления машин, которые являются базовой основой рассматриваемых технологий, позволяет сделать вывод о том, что системно-процессный подход, основанный на комплексном решении задач имеет четкие границы, обусловленные пределом прочности материалов, стандартами на брикетированные корма, физико - механическими свойствами сырья и другими критериями. Этот подход при проектировании и создании винтовых прессующих машин позволяет учесть возможность совершенствования проектируемого оборудования, режимов работы механизмов и особенностей используемых кормов на основе системно -процессного подхода, при котором функционирование ключевых процессов винтовых прессующих машин (транспортирование, брикетирование, экспандирование и экструдирование) является наиболее эффективным. 3. Разработаная и обоснованная структурная модель формирования и совершенствования процесса кормоприготовления, преобразующая массив различного рода кормов в потоки товарной продукции, рассматривается как две параллельно действующие (основную и дополнительную) преобразующие подсистемы в зависимости от качества исходных кормов, при этом дополнительная может иметь корректирующее звено, которое приводит в состояние равновесия подсистему в случае незначительных отклонений от нормативных требований. Основная преобразующая подсистема направлена на значительные качественные изменения массива кормов. 4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями основных закономерностей взаимодействия кормов с рабочими органами винтовых прессующих машин установлены: - роль градиента давления при движении кормов в рабочем пространстве машин и его влияние на явление противотока (утечек) материала между корпусом и кромкой винта, прилегающей к корпусу,, что является причиной потери производительности. Изготовление кромки винта со скосом в направлении фильер снизили эти потери, поверхность скоса может быть гладкой или ступенчатой, угол между поверхностью скоса и корпусом равен 5-25 градусам для различных условий экструдирования; - гипотеза о Ньютоновском поведении материала в фильерах экструдеров определила возможность повышения производительности оптимальным соотношением длины и диаметра фильер 1-3, что совместно с оптимальным углом скоса кромки винта, прилегающей к корпусу, повысило общую эффективность экструдирования на 20 - 22,8%; использование фундаментального закона о напряженном состоянии стенок сосуда, находящегося под давлением, повысило эффективность экструдирования на 26% изготовлением фильер на боковой поверхности корпуса и, тем самым, существенно расширило возможности подобных машин; -254-- установка регулируемого кольцевого зазора выходного отверстия с помощью прижимного усилия пружины в экспандере повысило производительность на 14.8 %. 5. Для повышения уровня биоконверсии кормов в полноценную животноводческую продукцию предложена и обоснована технология термической обработки зерна в разработанных и запатентованных винтовых устройствах с последующим его дроблением. Частными исследованиями установлено двукратное снижение величины работы разрушения зерна после термической обработки, что послужило основанием для снижения массы молотка дробилки. Эвакуация измельченной фракции воздушным потоком из дробильной камеры устраняет явление «завала», что позволяет снизить общие энергозатраты. 6. Установлены и обоснованы (в том числе и с использованием частных методик) конструктивно- режимные параметры рабочего органа дробилки зерна кукурузы, направленные на использование технологических элементов процесса измельчения данного вида сырья, включающие элементы трудо-, ресурсо- и энергосбережения. 7. Частные методики, разработанные с целью уточнения зависимостей отдельных параметров машин от физико - механических свойств среды, дают возможность прогнозировать поведение материалов при различных условиях деформирования, а также резко сокращают время на отработку конструктивных решений. Среди них можно выделить: - методы исследования поверхности винта шнека, который одновременно подает и смешивает продукт. Это достигается тем, что образующая винтовой поверхности состоит из трех участков с разным углом наклона к оси шнека.
