Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ исследований процесса гранулирования кормов и режима работы шестеренных прессов. Цели и задачи исследования 12
1.1 Анализ исследований процесса уплотнения материалов 12
1.2 Обзор грануляторов прокатывающего действия 15
1.3 Анализ результатов исследования шестеренных прессов 25
1.4 Цель и задачи исследования 35
1.5 Технологический процесс гранулирования кормов в крестьянско-фермерских хозяйствах 36
1.6 Обоснование конструктивно-технологической схемы гранулятора кормов 39
1.7 Устройство, принцип действия и особенности работы горизонтального одноматричного шестеренного гранулятора кормов 41
Выводы 45
2 Теоретический анализ работы шестеренного гранулятора кормов для крестьянско-фермерских хозяйств 46
2.1 Факторы производительности шестеренного гранулятора с горизонтальной матрицей и одним прессующим вальцом 46
2.2 Подача комбикорма зубчатым вальцом в зону сжатия 54
2.3 Сопротивление канала прессования продвижению корма по его длине 59
2.4 Частота вращения матрицы и скорость перемещения сжатого корма по каналу прессования 62
2.5 Мощность привода гранулятора и энергоемкость процесса гранулирования комбикорма 64
Выводы 71
3. Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1 Программа исследования 72
3.2 Общая методика 72
3.3 Изучение физико-механических свойств кормовых гранул с различной формой поперечного сечения 77
3.4 Методика экспериментального определения рационального режима работы гранулятора 89
3.5 Методика определения погрешности полученных результатов 83
3.6 Методика измерения производительности гранулятора 84
3.7 Методика измерения мощности привода и определения энергоемкости процесса гранулирования кормов 85
4. Результаты экспериментальных исследований режима работы шестеренного гранулятора и их анализ 86
4.1 Физико-механические свойства гранул круглого и квадратного сечений 86
4.1.1 Крошимость гранул круглого и квадратного сечений 86
4.1.2 Результаты испытаний гранул с различным профилем поперечного сечения на прочность при сжатии в поперечном направлении 88
4.2 Обоснование пределов варьирования подачи корма 89
4.3 Результаты экспериментального определения рационального режима работы гранулятора, состоящего из монолитной матрицы с круглыми радиальными отверстиями и гладкого прессующего вальца 94
4.4 Результаты экспериментального определения рационального режима работы гранулятора, состоящего из матрицы с квадратными каналами прессования и гладкого прессующего вальца 100
4.5 Результаты экспериментального определения рационального режима работы гранулятора, состоящего из матрицы с квадратными каналами прессования с закруглением углов радиусом 2 мм и зубчатого прессующего вальца 106
Выводы 112
5 Методика расчета гранулятора и технико-экономическая оценка эффективности гранулятора кормов для фермерских хозяйств 114
5.1 Методика расчета шестеренного гранулятора кормов для фермерских хозяйств 114
5.2 Экономическое обоснование эффективности использования результатов исследования 116
Выводы 125
Общие выводы 126
Литература 129
Приложения 140
- Анализ результатов исследования шестеренных прессов
- Мощность привода гранулятора и энергоемкость процесса гранулирования комбикорма
- Результаты экспериментального определения рационального режима работы гранулятора, состоящего из монолитной матрицы с круглыми радиальными отверстиями и гладкого прессующего вальца
- Экономическое обоснование эффективности использования результатов исследования
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших задач в животноводстве является увеличение кормового белка (протеина) и витаминов в рационе животных Дефицит кормового белка, в основном, вызван большими потерями биологического урожая при традиционных способах заготовки и хранения кормов Эта проблема успешно решается путем применения технологии гранулирования кормов
Однако широкое использование этой технологии зависит от целого ряда факторов, в том числе от технологического совершенства используемого оборудования (грануляторов), в частности, шестеренных, поэтому снижение энергоемкости шестеренных грануляторов для фермерских хозяйств является актуальной задачей
Цель работы — снижение энергоемкости гранулирования кормов шестеренным прессом с горизонтальной кольцевой матрицей и внутренним прессующим вальцом и обоснование его режима работы
Объект исследования - технологический процесс гранулирования кормовых смесей и гранулятор кормов для хозяйств с небольшим объемом производства
Предмет исследования - закономерности процесса гранулирования кормовых смесей и режима работы гранулятора с горизонтальной матрицей и внутренним прессующим вальцом.
Научная новизна работы заключена в
теоретически установленных взаимозависимостях между производительностью гранулятора с горизонтальной кольцевой матрицей и внутренним прессующим вальцом и параметрами матрицы и прессующего вальца, а также режима работы гранулятора,
математических моделях процесса гранулирования кормовых смесей в предложенном прессе, состоящих из системы двух уравнений для каждого варианта, одно из которых характеризует производительность пресса, а второе оценивает качественную сторону процесса
Практическая ценность - предложена конструктивно-технологическая схема гранулятора с горизонтальной кольцевой матрицей и внутренним прессующим вальцом в трех вариантах монолитная матрица с круглыми радиальными отверстиями и цилиндрический прессующий валец внутри нее, сборная матрица с квадратными каналами прессования и цилиндрический гладкий валец, сборная матрица с квадратными отверстиями и зубчатым венцом на внутренней поверхности и'зубчатый прессующий валец
Обоснованы параметры и режимы работы пресса с горизонтальной кольцевой матрицей и внутренним прессующим вальцом для гранулирования кормовых смесей сухим способом Экспериментально обоснованный режим работы гранулятора позволил осуществить процесс гранулирования кормов с достаточной производительностью и минимальной энергоемкостью Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2008103077/22(003359)
Реализация результатов исследований - шестеренный гранулятор кормов внедрен в фермерском хозяйстве ФГОУ ВІТО АЧГАА, а также в ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасска Ростовской области)
Апробация Материалы работы доложены и получили одобрение на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» в 2006-2008 гг
Шестеренный гранулятор кормов для фермерских хозяйств получил серебряную медаль на выставке «Интерагромаш 2008», а также демонстрировался на выставке «День поля» в 2007 году и «Альтернативная энергия» в 2008 году, где также получил положительные отзывы специалистов
Публикации Основные результаты исследования опубликованы в 4 научных статьях общим объемом 1,2 п л, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК
Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 107 наименований работ, в том числе 2 на иностранных языках, и приложений Основное содержание работы изложено на 140 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 10 таблиц
Анализ результатов исследования шестеренных прессов
Работу шестеренных прессов исследовали Ю.А. Симакин /86/, Е.А. Ладыгин /50, 51/, В.И. Щербина /101, 103, 105/, Л.Н. Родина /83/, А.Ф. Зорин /35/, С.А. Белоконов 111 и другие. Все исследователи отмечали перспективность применения пресса шестеренного типа.
Грануляторы с зубчатыми прессующими колесами Г.Я. Фарбманом отнесены к машинам с выдавливающим действием на корм. Более подробная классификация шестеренных грануляторов разработана В.И. Щербиной и СВ. Щербиной/101/.
Они впервые сформулировали основные отличительные признаки шестеренных грануляторов /101/:
1. По воздействию на корм прессы с зубчатыми колесами разделяются на выдавливающие и формующие.
2. По схеме передачи крутящего момента зубчатые колеса делятся на колеса с совмещенными функциями прессования и передачи крутящего момента и с обособленной функцией только прессования кормов. В последних передача крутящего момента осуществляется через параллельно расположенную силовую передачу, которая не только передает усилие, но и синхронизирует вращение прессующих колес. В этом случае зубчатый венец прессующих колес освобождается от строгих правил исполнения профиля зуба, которые действуют в силовых зубчатых передачах.
3. По взаимному расположению зубчатые колеса делятся на два больших класса: внешнего и внутреннего зацепления.
4. По характерному воздействию прессующей поверхности зуба на корм прессы можно разделить на сжимающие по типу плунжера или по типу лопасти. Плунжерные колеса вдавливают корм площадкой головки зуба. Лопастное действие характерно для вдавливания корма боковой поверхностью зуба (эвольвентным участком).
5. По профилю зуба можно также выделить несколько видов зубчатого венца.
6. По ориентации в пространстве шестеренные грануляторы разделяются на прессы с горизонтальным или вертикальным расположением зубчатых колес.
Схемы с внешним зацеплением зубчатых колес возможны следующие: с равновеликими колесами-матрицами; с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом; с большим колесом-матрицей и малым колесом-матрицей; с малым колесом-матрицей и большим прессующим колесом.
Схемы внутреннего зацепления также разнообразны: пассивное внешнее колесо-матрица и активные внутренние прессующие колеса; пассивное внешнее колесо-матрица и активные внутренние колеса-матрицы; активное внешнее колесо-матрица и пассивные внутренние прессующие колеса; активное внешнее колесо-матрица и пассивные внутренние колеса-матрицы; активное внешнее колесо-матрица и активные внутренние прессующие колеса; активное внешнее колесо-матрица и активные внутренние колеса-матрицы.
Профиль зуба можно разделить на три вида: стандартный кинематический (эвольвента, гипоциклоида и эпициклоида, круговой профиль Новикова); нестандартный кинематический (отличающийся от стандартного значением какого-либо параметра, например, коэффициент высоты головки зуба больше стандартного или другой угол зацепления и другие, но с сохранением кинематической связи); нестандартный некинематический (отличающийся от стандартного большими отклонениями вплоть до нарушения кинематической связи, например, коэффициент использования линии зацепления меньше еди-ницы или передачи типа мальтийский крест со своеобразным профилем зуба и впадины даже без непрерывающегося контакта и всевозможные другие).
Из прессов, имеющих непрерывный.технологический процесс, низкую материалоемкость и достаточно большую производительность, следует выделить шестеренный (по классификации Г.Я. Фарбмана, приведенной С.В. Мельниковым в /58/) гранулятор. Шестеренные грануляторы выделены в классификации прессующих устройств как отдельный перспективный тип, позволяющий совместить непрерывность процесса с порционным прессованием кормов.
Описанные прессы предназначены для переработки довольно широкого набора сырья. В то же время у большинства конструкций отсутствует возможность регулирования сопротивления матричного канала. Поэтому уровень энергоемкости завышен, т.к. в конструкции учитываются условия гранулирования самого неудобного, с точки зрения затрат энергии, сырья.
Режим работы прессов можно охарактеризовать как тихоходный, т.к., чтобы обеспечить достаточную по времени выдержку гранулы, частота вращения не превышает 40 мин"1. Упрочнение гранул в описанных прессах происходит в пассивных условиях только за счет длины матричного канала. Поэтому при активном подходе к ускорению процесса уплотнения и образования прочных гранул возможно использование более динамичного режима работы гранулятора.
Шестеренные грануляторы с зубчатыми колесами характеризуются устойчивым технологическим процессом формирования гранул (брикетов), отличаются компактностью, низким уровнем энергоемкости гранулирования.
Одно из первых исследований рабочего органа с зубчатыми колесами для целей брикетирования кормов выполнено Симакиным Ю.А./86/.
Им получено уравнение для определения плотности корма в функции угла поворота зубчатых, колес
Зубчатый венец в этих исследованиях принят традиционный эвольвент-ный без смещения исходного профиля зубьев по ГОСТ 2185-66 /19/. Зубчатые колеса одинаковые. В конечном счете, оценивалось изменение удельной энергоемкости процесса в зависимости от модуля, числа зубьев и угловой скорости колес. Основными выводами явились: снижение энергоемкости гранулирования люцерны на 30% в сравнении с матричными прессами, рекомен-дуемое число зубьев 20...24, модуль (30...32)-10" м, форма отверстий квадратная или прямоугольная, угловая скорость вращения зубчатых колес в пределах 3...4 с" .
Другое исследование, специально посвященное изучению зубчатых рабочих органов, выполнено Ладыгиным Е.А. /51/. Исследовался процесс приготовления гранул из кормолекарственных смесей, состоящих из дерти зерновой и лекарственных препаратов.
Автором выделены отдельные стадии гранулирования: фазы линеарного сжатия колесами, сжатия в замкнутом межзубовом пространстве при вхождении во впадину зуба сопряженного колеса. Ладыгин Е.А. отметил возможность расширения впрессованной порции корма в матричном канале после снятия внешнего усилия и частичного выхода ее из отверстия. Этим объясняется несовпадение теоретической производительности с действительно достигнутой.
Ладыгин Е.А. получил математическую модель гранулирования кормолекарственных смесей зубчатым рабочим органом, представленную функцией энергоемкости в диапазоне факторов: влажности от 13 до 21 %, модуля зубьев от 8 до 16 мм, частоты вращения колес от 20 до 40 мин " . Анализ модели позволил сформулировать рекомендации. Оптимальными автор считает частоту вращения 29,05 — 31,45 мин"1, модуль зубьев 16 мм при подаче 0,0969 - 0,1053 кг/с.
Мощность привода гранулятора и энергоемкость процесса гранулирования комбикорма
Удельная работа сжатия корма до требуемой плотности гранул описывается математической моделью, которая учитывает условия подготовки (кондиционирования) кормовых смесей к прессованию /103/
В работе /100/ подробно рассмотрены вопросы затраты энергии на выполнение каждого этапа гранулирования рассыпных кормосмесеи: сжатия, разгрузки сжатого корма, проталкивания по каналу.
В обобщенном виде мощность для процесса прессования в кольцевых грануляторах определяется формулой /58/
Мощность электродвигателя учитывает условия холостого хода машины и КПД составляющих ее механизмов
Энергоемкость процесса гранулирования корма определяется частным от деления соответствующей мощности на производительность машины.
Работа образования гранул в грануляторе прокатывающего типа является суммой нескольких составляющих:
Работа разделения монолита на отдельные гранулы составляет незначительную долю и практически одинакова для всех типов прессующих устройств.
Работа образования гранул в прессе шестеренного типа остается на осуществление операций сжатия корма, проталкивания его вдоль канала прессования и разделения монолита на отдельные гранулы. Работа сдвига корма с перемычек между каналами прессования практически отсутствует. Зубчатый венец матрицы выполняется с заостренными зубьями, на головке которых отсутствует площадка. Поэтому корм перемещается во впадину без ощутимой работы.
Структура энергоемкости гранулирования кормов в прокатывающем и шестеренном прессе представлена на диаграммах (рисунок 2.6).
Диаграммы представлены без учета работы на преодоление сил инерции вращающихся деталей (холостой ход).
Энергоемкость процесса гранулирования кормов в прессе шестеренного типа снижается и за счет увеличения производительности. Увеличение производительности гранулятора шестеренного типа обусловлено ранее рассмотренными факторами: применением квадратного сечения, площадь которого больше круглого в, 1,27 раза; увеличением суммарной площади всех каналов прессования на поверхности матрицы способом фрезерования «через зуб», который повышает коэффициент перфорации матрицы до 90%, увеличением подачи корма в зону сжатия за счет зубчатой поверхности прессующего вальца; увеличением подачи кома в зону сжатия дополнительным объемом во впадинах матрицы.
Доля влияния каждого из этих факторов представлена на диаграмме (рисунок 2.7).
Для оценки доли эффекта, вносимого каждым фактором в увеличение производительности гранулятора шестеренного типа, рассчитывались отношения их значений.
Доля от перехода на квадратное сечение входа в канал прессования равна отношению площадей
Следовательно, добавочный эффект составляет +0,27 к базовой производительности, которую приняли за единицу.
Доля эффекта повышения производительности гранулятора за счет увеличения коэффициента перфорации матрицы рассчитана как отношение за вычетом эффекта от квадратного сечения входа в канал прессования.
Следовательно, добавочный эффект от увеличения подачи корма зубчатой поверхностью прессующего вальца по сравнению с гладким вальцом рассчитана как отношение высоты слоя корма по формуле (2.32) для зубчатого вальца и высоты слоя корма для гладких поверхностей по формуле Мельникова /58/ для равных значений радиусов матрицы и вальца.
Для конкретного рабочего органа приняты R =87,5 мм и г =75 мм, т.е. =1,17 и высота головки зуба равной модулю зуба.
Следовательно, для модуля т = 2 мм дополнительный эффект +0,5. Аналогично, дополнительный эффект от увеличения подачи корма объемами впадин в матрице
Дополнительное увеличения производительности за счет заполнения кормом углублений во впадинах между зубьями модуля 2 мм матрицы можно ожидать до +0,38.
Естественно, что в условиях реальной работы гранулятора может сказываться неполное и неравномерное заполнение камер прессования кормом. Например, камеры прессования в верхнем ряду могут заполняться хуже, чем камеры в самом нижнем ряду матрицы.
Однако для оценки тенденции влияния каждого фактора на увеличение производительности гранулятора такой метод построения диаграммы вполне приемлем.
Следовательно, вполне обоснованно можно ожидать уменьшение энергоемкости процесса гранулирования кормов вдвое по сравнению с прокатывающим рабочим органом и одновременного увеличения производительности такого же по геометрическим размерам гранулятора в 2,0.. .2,5 раза.
Результаты экспериментального определения рационального режима работы гранулятора, состоящего из монолитной матрицы с круглыми радиальными отверстиями и гладкого прессующего вальца
Режим работы гранулятора прокатывающего типа с монолитной матрицей и гладким прессующим вальцом внутри нее экспериментально определен двухфакторным экспериментом по методике полнофакторного планирования. Изменялись два фактора. Число оборотов изменялось от 200 до 250 за минуту с шагом 25. Подача корма изменялась от 40 до 60 г/с с шагом 10. Критериями оценки (отклика) явились производительность по массе качественных гранул и качество гранул, исчисляемое крошимостью. Матрица плана и средние значения производительности пресса и крошимости гранул приведены в таблице Б.1 приложения.
Опыты проведены с трехкратной повторностью с целью обеспечения уровня значимости результата 0,05.
Оценка воспроизводимости результатов опыта проведена по критерию Кохрена /56/. Для этого в таблице Б.2 приложения рассчитана оценка дисперсии по каждому опыту (в строке) и в целом по всех опытам эксперимента. Критерий Кохрена представляет собой отношение построчной максимальной оценки дисперсии к суммарной по всему плану эксперимента. Критерий является мерой распределения дисперсии в поле эксперимента. Он не должен превышать табличное значение для принятого уровня значимости результатов 0,05.
Расчетный критерий Кохрена определен для 4-го опыта, в котором построчная оценка дисперсии
Адекватность его проверена по критерию Фишера на сходимость расчетных по уравнению и опытным путем полученных средних значений производительности гранулятора в каждом опыте. Для этого уравнения ФГССг=0,998.
Наглядное представление полученной зависимости приведено на рисунке 4.6.
Превалирующее влияние на производительность гранулятора оказывает подача кормосмеси.
В уравнении 2.34 можно оставить переменной величиной только подачу корма в зону сжатия. Тогда результат теории сравним с уравнением 4.7 при постоянном числе оборотов 250 об/мин.
Сравнение рассчитанных по теоретической формуле 2.17 и полученных в эксперименте значений производительности приведено в таблице Б.4 приложения и на рисунке 4.7.
Для второго критерия оптимизации - крошимости гранул тоже проверена воспроизводимость опытов по критерию Кохрена таблица Б.5 приложения.
Расчетное значение критерия Кохрена по 9-му опыту равно
Сравнение доверительных интервалов и численных значений коэффициентов показывает, что значимость коэффициентов при квадратичных членах уравнения не подтверждается.
Проверка адекватности без этих двух членов одновременно показала, что уровень значимости снижается до 0,10. С целью сохранения уровня значимости уравнения для 95% надежности при дальнейшем анализе сохранены все коэффициенты.
Окончательно уравнение регрессии для крошимости гранул имеет вид
Адекватность его подтверждена тестированием на сходимость расчетных и опытных данных по критерию Фишера, ФТЕСт=0,993.
Наглядное представление поверхности отклика приведено на рисунке (матрица с круглыми каналами прессования и гладкий валец) Два уравнения в совокупности являются математической моделью процесса гранулирования кормосмеси на данном грануляторе
Для определения зоны рациональных значений параметров режима работы, применен графический метод двухмерных сечений. На рисунке 4.9 представлены одновременно изолинии производительности гранулятора и крошимости гранул.
Для гранулятора с круглыми каналами прессования матрицы и гладким прессующим вальцом рекомендуемыми параметрами и режимом работы являются
Экономическое обоснование эффективности использования результатов исследования
Расчет экономической эффективности применения результатов исследования проводится на основании действующих методик, стандартов и нормативных документов /61/ с учетом среднегодового уровня инфляции.
При расчете экономической эффективности в качестве базы сравнения был принят серийно выпускаемый гранулятор ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасск)
При расчетах условия эксплуатации принималась идентичными. В обоих случаях предусматривалось использование базового и предлагаемого оборудования.
Основными показателями экономической оценки применения шестеренного гранулятора для приготовления кормовых гранул являются прирост производств продукции, а также улучшение ее качества.
Расчет капитальных вложений Балансовая стоимость сельскохозяйственных машин, выпускаемых промышленностью, определяется по формуле
Транспортно-заготовительные расходы определяются в процентах от стоимости покупных материалов и изделий
Общепроизводственные и общехозяйственные расходы определяются в процентах от основной зарплаты на изготовление установки
Удельная экономия эксплуатационных затрат определялась по формуле Э3=Иуди-Иудп, (5.36) где Э3 — удельная экономия эксплуатационных затрат, руб./т; Ии,Ип — прямые эксплуатационные затраты в исходном и проектируемом вариантах соответственно, руб./т.
Степень снижения удельных эксплуатационных затрат MFu,MFn — удельная энергоемкость операций в исходном и проектируемом вариантах соответственно, кг/т.
Определение годовой экономии Годовая экономия от сокращения эксплутационных затрат
Срок окупаемости капитальных вложений определяется по формуле
Исходные данные для расчета экономической эффективности и сводные показатели экономической эффективности использования шестеренного гранулятора кормов для крестьянско-фермерских хозяйств показаны в таблицах 5.1 и 5.2.
Данные технико-экономического анализа подтверждают целесообразность практического использования шестеренного гранулятора кормов для фермерских хозяйств (рисунки 5.1 и 5.2).
Данные технико-экономического анализа подтверждают целесообразность практического использования шестеренного гранулятора кормов для фермерских хозяйств.
