Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующего состояния проблемы оптимального проектирования процессов экструзионных технологий 11
1.1 Перспективы использования экструзионных технологий при производстве комбикормов 11
1.2. Анализ структуры технологических процессов производства комбикормов 18
1.3. Измельчение растительного сырья 22
1.4. Смешивание компонентов комбикормов 36
1.5 Экструдирование комбикормов 41
1.6. Обзор методов математического моделирования технологических объектов 62
1.7 Задачи исследования 70
2. Формирование концепции синтеза экструзионных технологий 71
2.1 Системный подход к процессам, реализуемым в технологических линиях пищевых и кормовых производств 71
2.2 Классификация механических процессов по энергетическому состоянию полуфабрикатов 78
2.3 Синтез технологического объекта 83
2.4 Выводы по.главе 88
3 Совершенствование оборудования для измельчения исходного сырья 89
3.1 Математическая модель процесса взаимодействия измельчаемого полуфабриката с рабочими органами роторного измельчителя 89
3.1.1 Силовое взаимодействия среды с рабочими органами измельчителя 89
3.1.2 Энергетический баланс измельчителя 97
3.1.3 Параметры эффекта процесса ударно-истирающего измельчения 98
3.2 Методика экспериментальных исследований 103
3.2.1 Назначение экспериментальных исследований 103
3.2.2 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях 104
3.2.3 Характеристики материала, применяемого при исследовании 110
3.2.4 Методика определения внешних величин модели 111
3.2.5 Методика оценки величины энергии, затрачиваемой на образование единицы площади новых поверхностей при измельчении 117
3.2.6 Методика оптимизации исследуемого объекта 117
3.2.7 Программное обеспечение обработки экспериментальных данных... 118
3.3 Экспериментальные исследования 120
3.3.1 Влияние конструктивных параметров измельчителя на образование воздушно-продуктового слоя 120
3.3.2 Условия и программа проведения экспериментальных исследований.. 123
3.3.3 Определение коэффициентов сопротивлений 125
3.3.4 Энергия для образования единицы площади новой поверхности 128
3.3.5 Верификация математической модели 128
3.3.6 Оптимизация рабочих параметров измельчающего механизма 133
3.4 Выводы по главе 138
4 Закономерности процесса смешивания при измельчении компонентов комбикормов в измельчающе-смешивающей машине 140
4.1 Математическая модель процесса взаимодействия смешиваемого полуфабриката с рабочими органами роторного измельчителя-смесителя 140
4.2 Методика экспериментальных исследований 145
4.2.1 Назначение экспериментальных исследований 145
4.2.2 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях 145
4.2.3 Методика экспериментальных исследований 152
4 4.2.4 Методика определения основных параметров процесса измельчения и смешивания в рабочей камере измельчителя-смесителя 155
4.3 Результаты экспериментальных исследований 156
4.3.1 Программа экспериментальных исследований 156
4.3.2 Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на процессы измельчения и смешивания компонентов комбикормов в рабочей камере измельчителя-смесителя 157
4.3.3 Определение основных параметров математической модели процессов измельчения и смешивания в измельчителе-смесителе вертикального типа 169
4.3.4 Верификация математической модели процессов измельчения и смешивания в измельчителе-смесителе вертикального типа 175
4.4 Выводы по главе 178
5 Совершенствование экструдеров для получения комбикормов повышенной усвояемости 179
5.1 Формирование модели процесса экструзии 179j
5.2 Движение материала в шнековом канале 181
5.3 Движение материала в кольцевых полостях 182
5.4 Движение материала в фильерах матрицы 185
5.5 Внутренняя характеристика системы процесса экструзии 186
5.6 Параметры эффекта процесса экструзии 188
5.7 Оценка процесса смешивания при экструдировании 191
5.7.1 Путь смешивания экструдируемого продукта в канале шнека 192
5.7.2 Сдвиг экструдируемого продукта в канале шнека 192
5.7.3 Сдвиг экструдируемого продукта в компрессионных затворах 194
5.7.4 Путь смешивания продукта в компрессионном затворе 196
5.7.5 Смешивание продукта в формующих полостях матрицы 198
5.8 Методика1 экспериментальных исследований процесса экструдирования. 200
5.8.1 Аппаратурное обеспечение экспериментальных исследований 200
5.8.2 Методика расчета параметров процесса экструдирования 205
5.8.3 Программное обеспечение экспериментальных исследований 208
5.8.4 Методика проведения экспериментов 208
5.9 Экспериментальные исследования воздействия шнекового прессующего механизма на качество экструдированного полуфабриката 214
5.9.1 Влияние расхода энергии в процессе экструдирования на параметры качества экструдированного продукта 214
5.9.2 Исследование измельчающих и смешивающих свойств экструдера...222
5.9.3 Определение критериальных значений степени воздействия на комбикорм сдвига и пути смешивания 226
5.10 Параметрический синтез прессующего механизма экструдера 229
5.11 Выводы по главе 236
6 Внедрение результатов исследования 238
6.1 Совершенствование конструкций измельчителей и измельчителей-смесителей зерна 238
6.2 Совершенствование конструкций экструдеров 261
6.2.1 Новые конструкции головки экструдера 261
6.2.2 Разработка нового питателя экструдера 270
6.2.3 Новые конструкции оборудования для исследования реологических параметров экструдируемого материала 271'
6.3 Оценка питательных свойств кормов, полученных по экструзионной технологии 275
6.3.1 Влияние комбикормов с экструдированными карбамидными концентратами на обмен азота у бычков 275
6.3.2 Показатели энергетического обмена у бычков при включении в рационы экструдированных карбамидных концентратов 278
6.4 Реализация результатов исследования 281
6.5 Расчет экономической эффективности внедрения результатов 292
6.6 Выводы по главе 299
Общие выводы по работе 300'
Список использованных источников 303
Приложения 339
- Анализ структуры технологических процессов производства комбикормов
- Системный подход к процессам, реализуемым в технологических линиях пищевых и кормовых производств
- Силовое взаимодействия среды с рабочими органами измельчителя
- Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях
Введение к работе
Актуальность. Качество комбикормов является одним из основных факторов, определяющих развитие необходимых для страны отраслей, обеспечивающих население продуктами питания. При этом качество, сбалансированность и однородность комбикорма должны обеспечиваться современной техникой, технологией и организацией производства.
Интерес к переработке растительного сырья с помощью термопластической экструзии обусловлен двумя основными причинами: во-первых, большим объемом и разнообразием продукции, производимой с помощью этой технологии, и, во-вторых, экономическим эффектом, который дает производство экструзионных продуктов за счет расширения потребительских свойств производимых кормов. Его использование позволяет сделать процесс легко контролируемым, универсальным по перерабатываемым полуфабрикатам и конечным продуктам.
Использование экструзионного оборудования для приготовления кормов «эффективно, если хорошо развита инфраструктура кормоприготовления. Экструзионное оборудование не только расширяет ассортимент кормов, но и увеличивает занятость сельского населения в период межсезонья.
Получаемые в результате экструзионной переработки продукты сложны по химическому составу и обладают комплексом различных свойсів, которые составляют в совокупности качество продукции и должны быть учтены при расчете процессов и оборудования и их совершенствовании.
Одним из возможных путей ресурсосбережения является оптимизация технологической системы кормоприготовления за счет адекватного использования возможностей процессов, применяемых в этой системе. Таким образом, разработка концепции синтеза процессов и оборудования для производства комбикормов на основе экструзионных технологий актуальна.
Работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовления» и включена в тематику НИР Оренбургского государственного университета на 1996 ... 2008 гг., номер госрегистрации 01.960.005780.
Цель работы. Совершенствование системы процессов экструзионнои обработки растительного сырья и технологического оборудования для получения комбикормов.
Научная- новизна. Основные научные результаты, составляющие новизну работы и выносимые на защиту, заключаются в следующем.
1 Разработано представление о напряженном состоянии среды рабочего пространства технологической машины как внутренней характеристике системы реализуемого процесса.
2 Создан комплекс математических моделей, описывающих процессы экструзионнои технологии в составе: модели механического взаимодействия воздушно-вихревой зоны, воздушно-продуктового слоя между собой и рабочей камерой молотковой дробилки; модели взаимодействия многокомпонентной комбикормовой смеси с рабочими органами измельчителя-смесителя вертикального типа; модели процесса экструдирования комбикормов с учетом особенностей режима теплого экструдирования. Разработан комплекс критериев, описывающих экструзионные технологии на этапе подготовки полуфабриката и непосредственно при экструдировании.
3 Подтверждена выдвинутая в работе гипотеза о взаимосвязи процесса разрушения с процессом смешивания в рабочей камере дробилки вертикального типа; получены зависимости, позволяющие прогнозировать однородность смеси и средневзвешенный размер частиц получаемого продукта.
4 Определены параметры воздушно-продуктового слоя молотковой ситовой дробилки; установлена необходимость наличия воздушно-продуктового слоя для ведения рационального процесса измельчения; определены параметры взаимодействия воздушно-продуктового слоя с рабочим пространством дробилки и ее рабочими органами; предложена методика, позволяющая прогнозировать модуль помола получаемого продукта. 5 Показана целесообразность применения метода векторной оптимизации для определения рациональных параметров роторного измельчителя.
6 Предложена оценка процесса экструдирования деформацией сдвига, которая определяет качество экструдата. Доказана возможность оценки рабочего процесса и состояния прессуемого продукта за счет изменения крутящего момента, возникающего на шнеке в зазоре компрессионного затвора.
7 Создана методологическая основа оптимального проектирования системы процессов экструзионной обработки растительного сырья и технологического оборудования для получения экструдата.
Практическую ценность имеют.
1 Сокращение энергозатрат на подготовку полуфабриката и экструди-рование.
2 Новые конструкции оборудования и способы реализации технологических процессов, защищенные патентами РФ и принятые к производству предприятиями региона.
3 Программные средства для расчета основных рабочих параметров роторных ситовых измельчителей, измельчителей-смесителей с вертикальным вводом-продукта, а также для расчета и оптимизации параметров процесса экструдирования.
4 Результаты оптимизации бездековых роторных дробилок с осевым вводом продукта; процессов измельчения и смешивания компонентов комбикорма в роторном измельчителе-смесителе вертикального типа.
5 Технологические режимы процессов измельчения, смешивания и экструдирования, повышающие качество экструдированных кормов.
Реализация результатов диссертационной работы.
На основании полученных в результате научных исследований патентов РФ разработаны конструкции универсального пресса-экструдера, измельчителя ударно-истирающего действия и измельчителя-смесителя вертикального типа, принятые к производству ООО «Орстан» в 2006 году. ПО «Стрела» с 1992 года выпускает центробежный двухроторный измельчитель РЗ-МИЦ5, конструкция которого защищена патентом РФ, также полученным по результатам настоящей работы.
В условиях ОАО по племенной работе «Оренбургское» на основе технологических линий, созданных на основании разработок автора, организовано кормление молодняка КРС экструдированными комбикормами. Использование линий экструдирования кормов в ряде хозяйств Оренбургской области, например СПК «Рассвет», колхоз- им. Куйбышева, СПК «Новоуспенов-ский» и др. дало положительные результаты при кормлении животных и птицы. Применение этих линий одобрено ГНУ Всероссийского НИИ мясного скотоводства-РАСХН.
На основании материалов работы разработано учебное пособие, рекомендованное профильным УМО для студентов специальностей, связанных с обработкой растительного сырья.
Результаты-исследования опубликованы, в 2003 году в монографии-«Проектирование экструдеров для отраслей АПК» изданного под грифом УрО РАН.
На защиту выносятся следующие положения. : Концептуальные основы разработки методик, технологических режимов и средств новой техники, эффективных экструзионных технологий.
Представление о напряженном состоянии рабочего пространства машины как о внутренней характеристике систем- механических процессов зер-нопереработки.
Математические модели основных процессов экструзионных технологий, позволяющие производить их оптимизацию, и методики идентификации неизвестных внешних величин предложенных математических моделей.
Новые технико-технологические решения, улучшающие показатели экструдированных кормосмесей и снижающие энергозатраты, а также комплекс программных продуктов по оптимизации экструзионных технологий.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на международных научных и научно-практических конференциях в г. Москве в 1998-2000 гг.; на Российских научно-технических конференциях в 2000-2007 гг. в Казани, Оренбурге, Тольятти, Екатеринбурге, Мелеузе; семинарах Оренбургского государственного университета (1995-2008 гг.).
Теоретические и экспериментальные исследования с производственной реализацией результатов удостоены диплома лауреата премии Правительства Оренбургской области в сфере науки и техники за 2007 год; диплома международного научно-промышленного форума «Инновации 2002», проведенного администрацией Оренбургской области; диплома ярмарки-выставки «Меновой двор» за разработку высокоэффективных наукоемких технологий для перерабатывающей промышленности (2003 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 57 научных трудах (в том числе 14 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 монографии, 1 учебном пособии). Новизна технических решений защищена 24 патентами РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 338 страниц, содержит 84 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 400 наименований, из них 57 на иностранных языках и приложения.
Анализ структуры технологических процессов производства комбикормов
В зоне плавления, в которой температура обычно поддерживается в результате деформации в диапазоне от 120 до 190 С, материал переходит в вязко-текучее состояние, образуя расплав биополимеров. Под действием высокой температуры обработки, значительных механических усилий и содержания влаги в результате сжатия и сдвига происходит разрушение полимерной структуры основных компонентов крахмалосодержащего сырья: денатурация нативных (нежелатинизированных) белков и желатинизация крахмалов. При этом кристаллические области способных к кристаллизации1 биополимеров, например амилозы и амилопектина в составе крахмала, плавятся, а аморфные переходят из неупорядоченного высокоэластического состояния в вязко-текучее.
В зоне дозирования завершаются процессы перехода биополимеров в вязко-текучее состояние. В начале зоны дозирования1 температура материала практически- равна температуре плавления. Продвигаясь в зоне дозирования, продукт продолжает разогреваться до температуры экструзии. При этом разогрев, происходит за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких нерасплавившихся в зоне плавления включений и выравнивание температурного поля [299;304].
Наиболее интенсивно структурообразование расплавов биополимеров протекает под действием сил сдвига и, сжатия в головке экструдера и фильере, что обусловлено изменением реологических условий течения в этих зонах. В. зависимости от конструкции фильеры можно получать экструдаты всех трех типов структур: пористой, волокнистой и однородной макроструктуры. Волокнистые и- однородные макроструктуры получают, используя специально охлаждаемые фильеры с отношением длины к диаметру значительно больше единицы, в которых происходит постепенное понижение давления и охлаждение расплава биополимеров до температуры ниже ПО ... 115 С (скорость сдвига не превышает 50 с"1, плотность 1200 ... 1400 кг/м3). Это предотвращает вспучивание полуфабриката за счет мгновенного испарения воды на выходе расплава биополимеров из фильеры [337,108]. При получении экструдатов пористой макроструктуры используют короткие неохлаждаемые фильеры. Скорость сдвига при этом максимальна и лежит в пределах от 50 до 3000 с" . При выходе расплава из такой фильеры происходит резкое уменьшение давления до атмосферного, сопровождаемое мгновенным испарением воды и образованием пористой макроструктуры полуфабриката [337, 396]. Наиболее важным из перечисленных условий является получение расплава биополимеров в вязко-текучем состоянии [342].
Функциональные свойства экструзионных продуктов определены параметрами экструзионного сырья и параметрами процесса экструдирования. Эти зависимости достаточно сложные, и изучение влияния каждого из зіих параметров на функциональные свойства является достаточно трудоемким, поэтому в последнее время при разработке новых рецептур экструзионных продуктов широко используются системные методы [341]. Установлено [394], (М) что функциональные свойства экструзионных продуктов определены переданной полуфабрикату удельной механической и тепловой энергией, а также временем пребывания частиц экструдируемого сырья в канале экструдера. В свою очередь, эти параметры зависят от параметров процесса — производительности экструдера, угловой скорости шнеков и их геометрии, размеров структурирующих фильер, температуры проведения процесса, влажности экструдируемого сырья, его химического и гранулометрического состава. Параметры процесса либо задаются конструкцией экструдера, либо легко контролируются как в период проведения процесса, так и на стадии подготовки сырья. Были установлены значимые функции насыпной массы и индекса расширения от параметров процесса: влажности экструдируемого сырья, максимальной температуры проведения процесса экструдирования, степени сжатия материала шнеком, диаметра фильеры. Анализ физико-химических процессов, происходящих при экструзии биополимеров [132,342], показывает, что такие параметры, как влажность и максимальная температура экструдируемого сырья, после их определения на основе методов оптимизации можно непосредственно перенести с лабораторного на промышленный экструдер. С другой стороны, диаметр фильеры, степень сжатия, угловую скорость шнека, перенести с лабораторного на промышленный экструдер сложно, так как это влечет значительные изменения параметров процесса.
Важным технологическим параметром экструзии является продолжительность обработки материала [134]. Процесс также зависит от режима загрузки сырья, частоты вращения шнеков, влажности обрабатываемой массы, характеристик сырья, конструкции шнековых элементов и размера отверстий матрицы. Учет этих параметров позволил предложить метод определения оптимального режима экструзии [104].
При получении взорванных продуктов путем экструзии процесс варки происходит в экструдере с низкой скоростью сдвига - это гарантирует выполнение процесса- варки, избегая повышенных механических воздействий на крахмальные гранулы в зерне [343].
Из изложенного следует, что экструдирование может быть выбрано в качестве центра технологической системы приготовления кормов.
Системный подход к процессам, реализуемым в технологических линиях пищевых и кормовых производств
Современное перерабатывающее предприятие АПК, с точки зрения теории систем, представляет собой сложную технологическую систему, рассматриваемую как совокупность процессов и средств их реализации, энергетических, материальных и информационных потоков, которые описывают определенное производство.
Каждую технологическую машину этого производства можно рассматривать как систему той или иной степени целостности. Для создания модели такой системы необходима ее декомпозиция на отдельные структурные элементы и связи, которые описывали бы законченный этап преобразования материального потока в соответствии с целевой функцией машины. Однако, учитывая специфику перерабатывающих производств АПК, заключающуюся в очень большом разнообразии типов и видов технологических машин и аппаратов, представляется практически очень сложным единый системный подход к структурному анализу и синтезу каждой отдельной машины. Поэтому далее будем рассматривать в основном машины комбикормового производства.
Системный анализ используется как логический способ воспроизведения в мышлении расчлененной объективно существующей целостной системы. В процессе системного синтеза мышление воспроизводит действительное взаимодействие расчлененных в процессе анализа компонентов. Для большинства наук, и в частности естественных, анализ является одним из основных методов научного познания [262].
Системный анализ принят в качестве базовой отрасли знаний, развивающей методы проектирования сложных систем и объектов на начальных стадиях разработки и обоснования проектных решений.
Метод системного анализа включает в себя: разработку общей схемы решения поставленной проблемы, в том числе построение обобщенной модели, и целевых программ; декомпозицию сложных систем и сложных объектов и операций их разработки и применения; методические основы формирования альтернатив; способы формирования целей и задач, назначение и согласование критериев; общую методологию подготовки и обоснования решений, включая неформальные процедуры.
Любая попытка провести анализ объекта приводит к созданию его модели, то есть упрощенного описания объекта, имеющего определенную цель. При создании эффективной модели необходимо придерживаться следующих принципов.
Наибольшее развитие в последнее время получил функционально-структурный подход, который основывается на предположении первичности функционального назначения системы по отношению к ее структурной организации.
Характерными особенностями функционально-структурного подхода являются: учет диалектической взаимосвязи функций и структуры объектов при определяющей роли функции по отношению к структуре; целостный подход к анализу и синтезу многоуровневых систем; учет материальных, энергетических и информационных связей между элементами системы; учет взаимосвязи исследуемой (создаваемой) системы с внешней средой; рассмотрение систем в развитии; единство философского и специального знания, проявляющееся в совместном использовании общих законов материального мира и закономерностей развития систем определенного класса [262].
Важной отличительной особенностью функционально-структурного подхода является построение модели объекта на основе внутренней характеристики системы. Внутренней характеристикой системы выбирается некоторая величина, которая позволяет описать состояние системы. Выбор внутренней характеристики диктуется требованиями, предъявляемыми к модели. Обычно она характеризует один из трех потоков, действующих в системе. Тогда два других потока функционально зависят от внутренней характеристики.
Решение задачи анализа системы на практике осуществляется методом последовательных приближений. Сначала на основе ориентировочных представлений об организации системы выполняется предварительный анализ. В ходе самого анализа уточняются функция, строение и другие особенности системы. Затем следует новый более точный анализ. Такая итерационная процедура осуществляется несколько раз.
Деление объекта на элементы имеет смысл до тех пор, пока у элементов сохраняется «системное качество», описывающее свойства объекта как системы. Этот последний носитель данного качества системы является ее неделимым элементом.
Выявление этих элементов (основных процессов преобразования, хранения и транспортирования вещества, энергии информации, а также управления соответствующими процессами) и позволяет проводить целостный анализ и синтез технологических систем.
Приступая к анализу технологической машины или аппарата, который является прототипом проектируемого объекта, следует выделить из всей совокупности свойств объекта наиболее важные и описать их.
В общем случае технологическая машина или аппарат представляют собой совокупность последовательно расположенных рабочих органов или рабочих пространств, источника энергии и промежуточных устройств, по которым энергия передается обрабатываемому объекту.
Наиболее комплексными признаками, которые могут быть положены в основу классификации машин и аппаратов пищевых и кормовых производств, являются процессы, происходящие в машине в связи с ее воздействием на продукт [225].
Силовое взаимодействия среды с рабочими органами измельчителя
Экспериментальная лабораторная установка, представленная в соответствии с рисунками 3.4 и 3.5, состоит из следующих основных узлов: станины (рамы) — 1; рабочей камеры — 2, выполненной в виде улитки, внутрь которой может вставлена ситовая обечайка — 3, как по всей окружности улитки, так и с частичной (в заданных соотношениях) или полной заменой деками - 4; ротора, вращающегося внутри рабочей камеры - 5; привода ротора — 6; бункера - 7.
Лабораторный измельчитель (рисунок 3.6) состоит из стакана 2, в котором в подшипниках установлен вал ротора 1. К стакану крепится вал 3. К корпусу подшипникового узла 4 крепится планшайба 5. Корпус измельчителя 6, выполненный в виде улитки, закрыт сверху прозрачной крышкой»7. Корпус 6 установлен на стержнях 8 с зазором с планшайбой. 5. Для предотвращения разлетания частиц.измельчаемого материала через зазор между корпусом и планшайбой установлен мягкий воздухонепроницаемый рукав 9. В корпусе размещен сменный ситовой цилиндр 10, на внутреннюю поверхность которого, при необходимости, крепятся декиЛІ. Рабочее пространство, образовано крышкой 7, корпусом 6, планшайбой 5 и ситовым цилиндром 10. На конце вала ротора закреплен сменный рабочий орган измельчителя (ротор) 1. На другом конце вала ротора установлен приводной шкив 12. В крышке 7 корпуса 6 выполнено впускное отверстие, с входным коллектором 13.
Общий вид установки с тензометрическим оборудованием показан на рисунке 3.7. Для проведения процесса тензометрирования и определения давления на сито, к наружной поверхности ситовой обечайки прикреплены упоры 3, удерживающие тензочувствительный элемент 2, на который приклеены тензо-резисторы 1, представленные на рисунке 3.7.
Тензочувствительный элемент 2 в виде тонкой упругой пластины толщиной до 0,1 мм выгнут до потери устойчивости вдоль окружной поверхности ситовой обечайки 4 (рисунок 3.7). Два тензорезистора приклеены с противоположных сторон пластины и включены в мостовую электрическую схему, составляя один из полумостов, другой полумост представляє! собой пару компенсирующих тензорезисторов, приклеенных на компенсирующей балке. В измерительной диагонали мостовой схемы, при воздействии на тензорезисюры, возникает напряжение, которое передается в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, подключенный к компьютеру - 6 (рисунок 3.7). Регистрация сигналов осуществляется в ПК, с помощью специального программного обеспечения. Перед наклейкой тензорезисторов произведен их подбор по электрическому сопротивлению на приборе типа МО-62 (ГОСТ 7156-66). Тензорезисюры наклеены клеем БФ-2 с последующей термообработкой [297].
Для замеров крутящего момента, создаваемого трением измельчаемого материала о ситовую обечайку применяются тензорезисторы на металлических балочках-стойах 7, которые связаны с планшайбой нерастяжимыми нитями. Эти тензорезисторы соединены в мостовую схему: четыре активных и компенсирующих тензорезистора — полный мост — изгиб [213].
Лабораторная установка работает следующим образом. Вращение через шкив 12 передается валу ротора 3, который вращает ротор 1. Из загрузочного бункера подается зерна. Подача регулируется задвижкой. Поступающее в рабочую камеру измельчителя зерно разгоняется ротором, создающим воздушный поток, и ударяется о ситовую обечайку, на которую передается крутящий момент, регистрируемый тензодатчиками на балочках. Разрушение зерновок происходит за счет ударения о ротор, ударов об обечайку, истирания о ситовую поверхность рабочей камеры, а также трением между днищем и нижней кромкой рабочего органа. Измельченный продукі, прошедший сквозь ситовую поверхность, выносится из рабочей камеры воздушным потоком, создаваемым рою-ром измельчителя. Давление на ситовую обечайку измеряется по деформации тензочувствительного элемента и фиксируется измерительной системой.
Наличие прозрачной крышки 7 позволяет проводить фото и видео наблюдения за поведением продукта в рабочей камере, а также осуществлять непосредственный визуальный контроль над процессом измельчения.
Конструкция установки позволяет ступенчато изменять частоту вращения роторов, путем варьирования имеющихся шкивов. Для изменения окружных скоростей рабочих органов изготовлены шкивы диаметром 45, 63, 80, 100, 160, 180, 200, 220 мм. Максимально возможная скорость при имеющихся шкивах составляет 750 рад/с.
На экспериментальной установке были установлены съемные отражательные элементы (рисунок 3.8). Они предназначены для разрушения воздушно-продуктового слоя.
Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях
Перед наклейкой тензорезисторов производится их подбор по электрическому сопротивлению на приборе типа МО-62 (ГОСТ 7156-66). Тензорезисторы наклеивались клеем БФ-2 с последующей термообработкой.
Давление воздушно-продуктово го слоя на обечайку и коэффициент гидравлического сопротивления от корпуса установки при измельчении и смешивании компонентов комбикормов, определяются через измерение деформации, возникающей на стенке цилиндрической обечайки 2 с тензорезисторами 9 (рисунок 4.5). Тензорезисторы 9 приклеены к наружной поверхности обечайки в окружном и поперечном направлении, составляя один из полумостов, другой полумост представляет собой пару компенсирующих тензодатчиков, на компенсирующей балке.
Лабораторная измельчающе-смешивающая установка (рисунок 4.3) работает следующим образом. Размер и скорость поступления компонентов в рабочую камеру 12 регулируется заслонками 16. После окончания работы установки. продукт может быть выгружен через патрубок 8, при открытии выдвижной задвижки 9. Конструкция установки позволяет брать выборки проб из любой точки объема измельчителя-смесителя с помощью специально изготовленного многоуровневого пробоотборника, который вводится в контрольные точках согласно [54]. Наличие прозрачной крышки 10 позволяет осуществлять визуальный контроль процессов измельчения и смешивания.
Данная конструкция позволяет исследовать процесс измельчения и смешивания смесей компонентов комбикорма при различных количествах и конфигурациях рабочих органов и высотах обечаек. Величину образующегося воздушно-продуктового слоя определяют при помощи шкалы, нанесенной на прозрачную крышку установки. Управление экспериментальной лабораторной установкой осуществляется с пульта управления, расположенного в отдельном корпусе, где установлен комплекс приборов контроля и управления электроприводом установки, включающий в себя тиристорный преобразователь и блок управления, а также измерительные приборы для замера силы тока и мощности в цепи электродвигателя (амперметр Э8030, диапазон измерения по переменному току I =0 ... 10 А, ваттметр Д539 ГОСТ 8476-60) и коммутирующая аппаратура. Скорость вращения рабочих органов изменялась в широком диапазоне — от 250 до 550 рад/с и определялась механическим тахометром с погрешностью измерения ± 10 %. Приборы и оборудование, использованные при исследованиях. При исследовании процесса измельчения и смешивания применялись: бункера (от 2 до 4-х) емкостью 5 кг; весы ВЛК-500-М с диапазоном взвешивания от 0 до 500 г с ценой деления 0,1 г и погрешностью ± 20 мг; весы ПетВес-300; 8-ми канальный АЦП LC-212, подключенный к ЭВМ; пульт управления на тирис юр-ном преобразователе; тензодатчики 2ГЖБ-100; амперметр Э8030, ваттметр Д539 ГОСТ 8476-60; набор сит с отверстиями диаметром соответственно 5, 4, 3, 2, 1 мм; рассев-анализатор РА-5М, установку для тарировки тензометрических датчиков, натрийселективный электрод ЭСЛ-51-07, хлор-серебряный насыщенный электрод образцовый 2-го разряда (ГОСТ 17792-72), иономер И-13 ОМ. В опытах для исследования закономерностей процесса измельчения и смешивания компонентов комбикормов использовались: ячмень рядовой и смесь компонентов, используемой для приготовления полнорационных комбикормов для КРС в соответствии с ГОСТ 9268-90. Контрольным компонентом являлся хлорид натрия (NaCl). Стандартные методики. При отборе среднего образца сырья или готовой продукции для проведения испытаний использовали методику ГОСТ 13586.3-83 «Зерно. Правила приемки и методы отбора проб». Влажность зернового сырья и продуктов переработки определяли по ГОСТ 13586.5-93 «Зерно. Методы определения влажности», засоренность зерна по ГОСТ 30483-97 «Зерно. Методы определения общего и фракционного содержания сорной и зерновой примесей; содержания мелких зерен и крупности; содержания зерен пшеницы, поврежденных клопом-черепашкой; содержание металломагнитных примесей», объемную массу по ГОСТ 8-15-75 [57]. Собственная методика исследований. Исследовали зависимость степени измельчения и однородности смеси от конструкции рабочих органов, частоты вращения ротора лабораторной установки, продолжительности цикла работы машины, степени загрузки продуктом камеры, весового соотношения компонентов, вида измельчаемых и смешиваемых компонентов. Для получения более точной информации о закономерностях процесса измельчения-смешивания применяли смесь компонентов комбикормов. Для установления влияния ранее указанных факторов на качество процесса измельчения-смешивания компонентов комбикормов приняты следующие пределы и шаги их варьирования: частота вращения вала ротора лабораторной установки, рад/с: 250 ... 550; время цикла работы установки, с: 15 ... 120; масса порции загружаемых компонентов, кг: 1,5, 2 и 3; влажность основного компонента, %: 8 ... 18; концентрация контрольного компонента, % : 0,1 ... 1,0. Для измерения однородности смеси применяли статистический метод, при котором из смеси извлекалась выборка проб, подвергающаяся анализу. Качество проб в выборке, рассчитанное по методике [187], равнялось 27. Пробы отбирали с помощью специально изготовленного пробоотборника, обеспечивающего взятие их с любого места в лабораторной установке, не нарушая структуры смеси. Величина проб находилась в пределах (35 ... 45)-10"3 кг. Анализ проб заключался в определении концентрации контрольного компонента. Определение хлорида натрия (NaCl) производили методом потенцио-метрического титрования хлоридов (ионометрический метод) - по ГОСТ 13496.1-98. Сущность метода состоит в экстракции хлорида натрия (NaCl), содержащегося в пробе, буферным раствором гидроксида кальция (КОН) и последующем определении натрия методом добавок с помощью стеклянного натрий-селективного электрода ЭСЛ-51-07. В качестве электрода сравнения использовали хлор-серебряный насыщенный электрод образцовый 2-го разряда по ГОСТ 17792-72.,Регистрирующим прибором был цифровой иономер типа И-130М.
