Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние механизации процесса подачи материала в пресс-экструдер 10
1.1 Анализ конструкций дозаторов пресс-экструдеров 10
1.2 Классификация дозаторов пресс-экструдеров 15
1.3 Требования, предъявляемые к дозаторам пресс-экструдеров 17
1.4 Анализ экспериментальных и теоретических исследований шнековых дозаторов 18
1.5 Цель и задачи исследований 35
2 Теоретические исследования процесса работы дозатора пресс-экструдера 36
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства. Схема проведения исследований 36
2.2 Скорость частицы продукта в дозаторе 44
2.3 Обоснование потребной подачи дозатора пресс-экструдера 48
2.4 Обоснование жёсткости пружины 54
2.5 Затраты энергии на дозирование материала 57
Выводы 61
3 Программа и методика экспериментальных исследований 62
3.1 Программа экспериментальных исследований 62
3.2 Общая методика экспериментальных исследований 65
3.3 Описание лабораторной установки 66
3.4 Методика экспериментальных исследований 71
3.4.1 Методика определения физико-механических свойств кормов 71
3.4.2 Методика определения коэффициента уплотнения корма в дозаторе 72
3.4.3 Методика определения коэффициента уплотнения корма на выходе из дозатора 76
3.4.4 Методика определения производительности, точности дозирования и неравномерности выдачи корма 76
3.4.5 Методика определения энергоёмкости 80
3.5 Методика обработки результатов 81
Выводы 82
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 83
4.1 Результаты определения физико-механических свойств кормов 83
4.2 Результаты экспериментальных исследований подачи 84
4.3 Коэффициент уплотнения корма на выходе из дозатора 94
4.4 Точность дозирования 98
4.5 Энергоёмкость дозирования 104
Выводы 114
5 Исследования дозатора пресс-экструдера в производственных условиях. экономическая оценка результатов исследований 115
5.1 Исследования в производственных условиях 115
5.1.1 Описание производственной установки 115
5.1.2 Описание технологической линии 116
5.1.3 Результаты исследований в производственных условиях 117
5.2 Экономическая оценка результатов исследования 119
Выводы 124
Общие выводы 125
Список литературы 127
Приложения 139
- Анализ конструкций дозаторов пресс-экструдеров
- Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства. Схема проведения исследований
- Методика определения коэффициента уплотнения корма в дозаторе
- Коэффициент уплотнения корма на выходе из дозатора
Введение к работе
Современное сельскохозяйственное производство немыслимо без экономичного и высокопроизводительного оборудования, позволяющего рационально использовать трудовые, сырьевые ресурсы хозяйства, снизить себестоимость конечной продукции. В животноводстве по-прежнему основной статьёй затрат остаётся кормление, в структуре себестоимости корма занимают 50...70 %. Поэтому минимизация кормовых ресурсов на производство животноводческой продукции является одним из главных резервов снижения издержек, повышения продуктивности животных и рентабельности животноводческих предприятий [3, 42].
В валовом производстве кормов в стране более 30 % занимают концентрированные корма, и в перспективе их доля в структуре кормов существенно не изменится (29...32 %) [102, 78], но в соответствии с прогнозируемыми объёмами производства животноводческой продукции требуется довести производство концентрированных кормов в 2010 г. до 81,8 млн. т, при этом производство зернофуража необходимо увеличить в 2,5 раза [59, 102].
Однако если ранее в составе концентрированных кормов зерно занимало 75...80 %, то на перспективу планируется снизить долю продовольственного зерна в структуре зернофуража и увеличить количество ячменя, кукурузы и зернобобовых, производство которых на полевых землях должно существенно возрасти. На сегодняшний день в России содержание зерна в комбикормах составляет 80...90 %, в США — 50 %, Великобритании - 33 %, Нидерландах - 17 %, Бельгии — 15 %. При этом уровень белкового сырья в комбикормах в РФ составляет всего 11 %, в то время как в США - 15 %, в Германии -17%. Это в значительной мере предопределяет уровень продуктивности животных и птицы. Поэтому снижение зерновых в составе комбикормов и замена их дешёвыми высокобелковыми компонентами является одной из актуальных проблем [42, 59, 60, 78, 102].
При скармливании же зерна бобовых культур жвачным животным растворимый белок, составляющий значительную долю от общего количества протеина, разрушается в рубце находящимися здесь микроорганизмами. Зерно бобовых культур содержит вредные вещества, поэтому скармливают его только после предварительной обработки: поджаривают, варят, обрабатывают паром, флокируют, экструдируют и т. д., что соответствует основным положениям Стратегии развития техники и технологий для производства комбикормов в хозяйствах [42, 48, 60, 112, 116, 117]:
- производство бактериологически чистых комбикормов за счёт применения теплового щита с эффективными способами использования СВЧ, инфракрасного излучения и баротермических процессов;
- приоритет в производстве комбикормов отводится гранулированным комбикормам, где степень декстринизации крахмала при 100 °С достигает 40 %, при 120 °С - 60 % и при 190 °С - 90 %. За счёт этого можно снизить удельные затраты кормов в 1,3... 1,5 раза;
- прессование, обеспечивающее снижение антипитательных и токсичных веществ в сое, вике, рапсе (содержание синильной кислоты в вике яровой снижается при этом на 26.. .32 %, а ингибитора трипсина - в 2 раза).
В связи с этим, прогрессивными технологическими процессами в комбикормовом производстве являются гранулирование, экструдирование, комбикормов и их компонентов, обеспечивающие высокую сохранность кормов и повышенную продуктивность животных [8, 48, 103, 119].
Учитывая, что наиболее полно для решения всех ранее указанных задач соответствует экструдирование кормов, то его применение и совершенствование является важной народно-хозяйственной задачей.
Одним из недостатков существующих пресс-экструдеров является то, что они не эффективно работают при обработке плёнчатых культур имеющие малую плотность, для снижения энергоёмкости процесса требуется увеличение производительности в первую очередь зоны загрузки пресса [69, 70]. Тем самым, совершенствование узлов пресса-экструдера, позволяющих повысить производительность машины и за счёт этого снизить энергоёмкость кормов, является важной научно-технической задачей.
Учитывая сложную экономическую обстановку в сельскохозяйственном производстве, важным направлением технического прогресса в механизации и автоматизации животноводства на рассматриваемый период является модернизация действующей техники. Модернизация по сравнению с созданием новых машин является более экономичным мероприятием, позволяет не только повысить сроки использования действующих машин и установок, но и на качественно новый уровень поднять их технико-экономические параметры — надёжность, производительность, снизить удельные затраты энергии и других ресурсов, улучшить условия труда работников ферм. Особенно необходимо и целесообразно производить модернизацию техники, отличающейся высокой металлоёмкостью. Замена в них морально устаревших узлов и агрегатов позволяет повысить их технический уровень с минимальными инвестициями [42].
Учитывая, что одним из параметров, определяющим производительность пресса является низкая степень заполнения зоны загрузки шнекового пресса ввиду подачи неуплотнённого корма дозатором, то оптимизация параметров указанного узла пресс-экструдера позволит снизить энергозатраты на обработку кормов.
Данная работа выполнена в соответствии с темой: «Совершенствование технологий и разработка устройств для экструзионной переработки сельскохозяйственной продукции» РГ № 01 2005 04658 до 30.12.10.
Объект исследований. Технологический процесс и структурно-технологическая схема дозирования кормов.
Предмет исследования. Закономерности, условия и режимы осуществления дозирования зернового сырья дозатором пресс-экструдера.
Научную новизну составляют:
- конструкция дозатора пресс-экструдера (новизна подтверждена патентом РФ № 2349233);
- аналитические зависимости по определению подачи и мощности привода в зависимости от его конструктивно-технологических параметров и физико-механических свойств кормов;
- поправочный коэффициент, вводимый в аналитическое выражение подачи;
- конструктивно-технологические параметры дозатора, комплексно влияющие на подачу, энергоёмкость и точность дозирования, и определение их рациональных значений.
Практическая значимость. Разработанный дозатор пресс-экструдера непрерывного действия, за счёт сжатия поступающего корма, позволяет пресс-экструдеру работать в оптимальном режиме, обеспечивает производительность до 0,8 т/ч при точности дозирования не ниже 95 %. Энергоёмкость дозирования составляет 0,6...0,8 кВт-ч/т. Дозатор обеспечивает уменьшение приведённых затрат на 18 %.
Экспериментальный образец дозатора был установлен на серийный пресс-экструдер, который прошёл производственную проверку и рекомендован актом хозяйственной комиссии к использованию.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- конструктивно-технологическая схема и конструкция дозатора пресс экструдера; - теоретические зависимости по определению подачи, потребной мощности и основных размеров дозатора пресс-экструдера;
- функциональные зависимости подачи, точности дозирования, коэффициента уплотнения и энергоёмкости дозирования от частоты вращения, шага шнека, угла наклона образующей бункера и усилия сжатия пружины;
- результаты экспериментальных исследований разработанного дозатора в лабораторных и производственных условиях с целью установления рациональных конструктивно-режимных параметров.
Реализация результатов исследований.
Экспериментальный дозатор был установлен на серийный экструдер КМЗ-2У линии приготовления экструдированных кормов в СПК имени Калинина Исаклинского района Самарской области.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2006...2008 гг.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2007...2008 гг.) и ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2008 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 1 без соавторов и 2 в издании, указанных в «Перечне ... ВАК». Общий объём опубликованных работ составляет 2,9 п.л., из них автору принадлежит 1,3 п.л.
Анализ конструкций дозаторов пресс-экструдеров
Для предварительного дозирования кормов при экструдировании применяются дозаторы непрерывного действия преимущественно объёмного типа. К таким дозаторам относятся барабанные, шнековые, тарельчатые, ленточные и т.д. Выбор способа дозирования и типа дозатора зависят от необходимой точности дозирования, от свойств дозируемых материалов, из которых наиболее существенными являются: плотность, гранулометрический состав сыпучих материалов, влажность, углы естественного откоса и обрушения, склонность к сводообразованию, слеживаемость, комкуемость и другое.
Преимущественно в экструдерах применяются шнековые дозаторы, которые позволяют уменьшить габариты всей установки, то есть компактно располагаются под бункером с кормом, позволяют выгружать материалы с достаточно большим различием в физико-механических свойствах, но в то же время шнековые дозаторы имеют большую энергоёмкость (до 3 кВтч/т) и неравномерность дозирования (рисунок 1.1) [74, 118].
Шнековые дозаторы применяют в тех случаях, когда некоторое измельчение материалов не имеет значения. Такие дозаторы можно устанавливать горизонтально и наклонно. Их характеризует широкий диапазон регулирования подачи, который осуществляется путём варьирования частоты вращения [34].
Для процессов, в которых требуется высокая точность дозирования, множество отечественных и зарубежных фирм предлагают дозирующее оборудование, которое позволяет дозировать корм с высокой точностью, а некоторые модели позволяют одновременно дозировать и смешивать несколько компонентов (рисунок 1.2) [17, 29, 30, 122, 126, 127].
Кроме шнековых дозаторов промышленность выпускает различные системы принудительной подачи материала в экструдер (рисунок 1.3). Они применяются для принудительной подачи сырья с ограниченной текучестью, непосредственно к шнеку экструдера, позволяют оптимизировать производительность экструдера и обеспечить непрерывную загрузку материала в заданном количестве. Количество подаваемого материала зависит от скорости вращения шнека экструдера. Системы принудительной подачи могут оснащаться несколькими дозаторами для подачи и смешивания нескольких компонентов [126,127].
Шнековые дозаторы (рисунок 1.4) применяют для дозирования сыпучих и влажных видов кормов, при этом у них различаются рабочие органы (рисунок 1.5) [82...88, 95, 100].
Анализируя существующие типы дозаторов и систем подачи продукта в экструдер можно отметить следующее. Существует тенденция перехода от систем подачи материала в экструдер под действием силы тяжести к системам принудительной подачи, что обуславливается многими причинами, во-первых, стабилизируется плотность подаваемого продукта, что положительно сказывается на стабильности процесса экструзии, во-вторых, снижаются энергозатраты на экструдирование того же объёма корма, за счёт снижения колебания нагрузки на привод и повышения производительности экструдера, в-третьих, системы принудительной подачи позволяют объединить в себе несколько дозаторов для различных компонентов и смеситель непрерывного действия, что незаменимо при необходимости экструдировать смесь из нескольких компонентов. В условиях же сельскохозяйственных предприятий более актуально экструдирование одного вида корма, поэтому систему подачи корма можно упростить и свести к простой конструктивной схеме - вертикально-шнековому дозатору.
Важным инструментом поиска перспективных направлений по созданию дозаторов и выбора оптимальных конструктивных схем является разработка классификации и анализ современных шнековых дозаторов пресс-экструдеров (рисунок 1.6).
По конструктивному исполнению шнековые дозаторы можно подразделить на дозаторы со шнеками постоянного шага и диаметра, изменяющимся диаметром, а также с изменяющимся шагом. В свою очередь шнеки с изменяющимся шагом подразделяются на шнеки с изменяющимся межвитко-вым пространством, с уменьшающимся шагом и с увеличивающимся шагом витков [46, 47, 76, 77].
По типу рабочих органов различают сплошной, ленточный, лопастной и пружинный (спиральный) шнеки. Кроме того шнеки могут быть как одно-заходными, так и многозаходными, так же существуют конструкции однош-нековые и многошнековые, причём последние могут быть с параллельным расположением шнеков или же шнек в шнеке. По расположению рабочего органа в поле сил гравитации шнеки бывают вертикальные, наклонные и горизонтальные. По быстроходности шнеки бывают тихоходные и быстроходные. Оценочным показателем является отношение co D[2g [46, 47].
По способу регулирования дозы выдаваемого материала различают: регулированием частотой вращения шнека, регулирование в зоне выгрузки, регулирование в зоне загрузки. При регулировании в зоне выгрузки часто бывает уплотнение выдаваемого потока корма, поэтому различают дозаторы с уплотнением выдаваемого корма и без уплотнения. По степени автоматизации различают с ручным управлением, автоматизированные и автоматические.
Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства. Схема проведения исследований
Одной из важных задач стоящих перед отечественным животноводством является снижения расхода кормов на получение животноводческой продукции. Повышение питательности имеющихся кормов возможно за счёт использования перспективных способов их обработки, изменяющих внутреннюю структуру корма в направлении разложения клетчатки и крахмала корма на более простые составляющие, эффективно усваиваемые животными. Примером подобных способов обработки кормов является экструдирова-ние [32, 35, 123].
Как отмечалось ранее, для повышения эффективности процесса экс-трудирования и минимизации затрат необходимо оптимизировать работу экструдера, в частности, за счёт улучшения заполнения зоны загрузки. Достичь этого можно путём модернизации дозатора пресс-экструдера. На основе анализа существующих конструкций дозаторов были определены, как наиболее перспективные шнековые дозаторы. Кроме того, для улучшения заполнения зоны загрузки пресс-экструдера предлагается установить шнек дозатора вертикально, с тем расчётом, чтобы корм, поступающий из дозатора, уплотнялся. Таким образом, дозатор будет выполнять и функцию пресса, что позволит поддерживать постоянную плотность корма в зоне загрузки пресс-экструдера, что в свою очередь приведёт к стабилизации процесса экструди-рования [67...66, 65, 92, 105].
Для обеспечения такого технологического процесса нами была разработана конструктивно-технологическая схема дозатора пресс-экструдера представленная на рисунке 2.1. Дозатор состоит из бункера 1 выполненного в виде усечённого конуса, внутри которого расположен шнек 2 [92, 106]. Хвостовик вала шнека 3 установлен в подшипниковом узле 6 и имеет возможность перемещения внутри него, причём только в осевом направлении, т.к. установлены две направляющие шпонки. Подшипниковый узел (рисунок 2.2) в свою очередь состоит из корпуса 1, крышки 2, втулки 3, разделяющая подшипники 9. В корпусе подшипникового узла размещена пружина 6 одной стороной опирающаяся на плоскую шайбу 8, а другой - на ступицу 4, которая посредством винта 5 жёстко связана с валом шнека. Для контроля сжатия пружины установлен щуп 7. Перемещение вала шнека в вертикальном направлении осуществляется также в муфте (рисунок 2.3) состоящая из верхней 7 и нижней 2 полу муфт, соединяющиеся посредством болтовых соединений 6 и втулок 5 с упругим элементом 4. Для обеспечения свободного перемещения вала шнека в нижней полумуфте, в которой крепится хвостовик вала, выполнено два шпоночных паза с увеличенными зазорами. Также для уменьшения трения поверхности трения обрабатываются консистентной смазкой. Рисунок 2.3 - Муфта: 1 - верхняя полумуфта; 2 - нижняя полумуфта; 3 - направляющие пазы шпонок; 4 - упругий элемент; 5 - втулка; 6 - болтовое соединение Работает дозатор следующим образом. После поступления корма внутрь бункера и включения электродвигателя привода, начинает вращаться шнек. Подача корма в свободном режиме происходит до тех пор, пока зона загрузки экструдера не заполнится полностью. После заполнения зоны загрузки и при условии, что производительность дозатора будет несколько больше производительности экструдера, шнек начинает уплотнять корм в зоне загрузки. Регулирование степени сжатия поступающего корма осуществляется за счёт изменения разности в производительностях дозатора и экструдера, а также за счёт изменения усилия сжатой пружины и момента отключения привода дозатора. Так как разработанная конструктивно-технологическая схема дозатора имеет ряд особенностей, то необходимо провести теоретические исследования с целью обоснования её основных параметров и экспериментальные исследования устройства, разработанного на основании результатов аналитических исследований, с целью определения оптимальных и рациональных конструктивно-режимных параметров. На основании анализа схемы дозатора можно сказать, что основными оценочными критериями работы дозатора пресс-экструдера являются (рисунок 2.4): уі, у2, уз производительность устройства, потребная мощность привода и энергоёмкость дозирования, а также у4 - точность дозирования и у5 — коэффициент уплотнения. Основными внешними воздействиями (входными факторами), оказывающими влияние на работу дозатора, являются обобщённые статистические показатели/,/.../, характеризующие гранулометрический состав корма и их физико-механические свойства [41], а также условия «диктуемые» пресс-экструдером. На значения оценочных критериев оказывают влияние внутренние факторы, обусловленные внутренней структурой и конструктивно-режимными параметрами дозатора. При этом, основной задачей является определение оптимальных, либо рациональных значений обобщённых параметров устройства Хд, с целью доведения показателя у3 до оптимального (а при невозможности - до рационального) уровня (для энергоёмкости — минимум, для производительности - максимум), при соблюдении зоотехнических требований, и соответствии уровня показателей ;, для обеспечения оптимума у з [41]. В связи с этим, требуется определение рациональных значений технологических и конструктивных параметров, обеспечивающих точное дозирование корма с его уплотнением при достаточно высокой производительности и по возможности минимальной энергоёмкости. Таким образом, оценочными критериями работы дозатора пресс-экструдера является ряд факторов: количественные - производительность дозатора; энергетическими показателями являются потребная мощность привода и энергоёмкость дозирования; качественным показателем работы дозатора используются точность дозирования. Основными критериями оптимизации процесса будут использованы как количественные показатели, так и энергетические - энергоёмкость. Разработанная структура исследований (рисунок 2.5) позволяет определить последовательность проведения изыскательских работ и их необходимый объём. Теоретический анализ показателей работы дозатора позволяет получить на основе аналитических выражений и схемы последовательности выполнения расчётов (рисунок 2.6) математическую модель, а экспериментально полученная техническая характеристика дозатора — определить рациональные его параметры. Аналитические исследования дозатора предусматривают определение его производительности и потребной мощности привода, энергоёмкости дозирования в зависимости от физико-механических свойств корма, конструктивно-режимных параметров.
Методика определения коэффициента уплотнения корма в дозаторе
Переработка и приготовление кормов предполагают определенную совокупность воздействий рабочих органов машин-исполнителей на среду, представляющую многообразие кормовых материалов со значительно различающимися свойствами. Поэтому реальные показатели работы машин можно рассматривать только в совокупности с характеристиками определенных кормов и их физико-механическими свойствами [34].
К физическим свойствам кормов относятся влажность, гранулометрический состав (размеры частиц и их соотношение), объёмная масса, плотность, пористость, водопоглощаемость, водоотдача, гигроскопичность, теплоёмкость, теплопроводность и вязкость. При необходимости определяют температуру и некоторые другие показатели [37]. Механические свойства кормов включают коэффициенты внешнего и внутреннего трения, бокового давления, угол естественного откоса, сопротивление сжатию, резанию или разрушению ударом и др. Физические и механические свойства кормов взаимосвязаны и в каждом конкретном условии проявляются по-разному. С учётом полноты результатов исследований физико-механических свойств, изложенных во многих литературных источниках, в настоящей работе нами исследуются характеристики только тех кормовых материалов, на которых велись исследования рабочего процесса шнекового дозатора. В лабораторных условиях плотность насыпных грузов определяли по общеизвестным методикам, описанные в ГОСТ 28254-89 — Комбикорма, сырьё [22], измерения производились приборами, указанными в таблице 3.1. Определение коэффициента внутреннего и внешнего трения ведётся с помощью прибора описанного в источнике [37]. Разработанная конструкция дозатора обеспечивает сжатие поступающего корма, что необходимо для выравнивания плотности. Равномерный по плотности корм, поступающий в экструдер, наряду с его равномерной подачей во многом определяют равномерность процесса в целом. При работе установки корм сжимается за счёт всё сужающегося объёма, при этом сжатие корма обуславливается давлением на него шнека. После выхода из дозатора корм разуплотняется в случае если область заполнения пуста, и остаётся в сжатом состоянии если последняя заполнена. Поэтому возникает необходимость знать коэффициент уплотнения как в самом дозаторе, для уточнения его производительности, так и в загрузочной зоне экструдера, для характеристики его работы. В общем случае, коэффициент уплотнения насыпного груза — отношение его уплотнённой массы к массе того же объёма до уплотнения. Условия заполнения насыпного груза определенного объёма формирует начальный коэффициент уплотнения, значение которого имеет существенный диапазон изменения. В этой величине доминирующее место занимают динамические нагрузки и вибрация, в результате которых материалы претерпевают структурное переформирование — мелкие частицы укладываются в порах между более крупными. При этом воздух вытесняется из пор, число контактов частиц между собой увеличивается, что сопровождается возникновением молекулярных сил. Насыпной груз уплотняется, его плотность повышается. Установлено, что коэффициент уплотнения увеличивается с ростом коэффициента внутреннего трения по зависимости [37] Различные насыпные грузы имеют довольно большой разброс изменений коэффициента уплотнения: от 1,05 до 1,52 (нижний предел характерен для хорошо сыпучих грузов). Следует отметить, что процесс уплотнения приводит к возрастанию начального сопротивления сдвигу, а его значение характеризует сыпучесть [37]. Коэффициент уплотнения корма можно также определить как отношение плотности на выходе из дозатора, к плотности вороха корма в бункере до сжатия [37] у , (3.2) где р - плотность корма в дозаторе, кг/м3; рн - плотность вороха, кг/м . По зависимости (3.2) коэффициент уплотнения внутри дозатора замерить технически сложно, так как на выходе из дозатора корм разуплотняется и значение коэффициента снижается, поэтому воспользуемся аналогией с кормом, помещённым в цилиндрический сосуд, в котором сжимается. Опытным путём определив зависимость коэффициента уплотнения от нагрузки и, зная нагрузку на корм внутри дозатора, с некоторой погрешностью можно определить коэффициент уплотнения внутри дозатора.
Для определения зависимости коэффициента уплотнения, а также коэффициента внешнего трения корма от действующей нагрузки, была изготовлена лабораторная установка, общий вид которой изображён на рисунке 3.9, а схема - на рисунке 3.10 [26]. Установка представляет собой вертикальный цилиндр, в который засыпается корм. Сверху корм сжимается поршнем, перемещающийся под нагрузкой, действующей через рычаг. Определение коэффициента уплотнения можно проводить по замеру хода поршня, или по измерению коэффициента трения. Измерение коэффициента трения определяется по изменению нагрузки на валу электродвигателя с помощью блока управления смонтированного на базе частотного преобразователя. В частности использовали тот же самый блок управления, которым управляется двигатель разработанного дозатора.
Коэффициент уплотнения корма на выходе из дозатора
Подводя итоги, можно отметить, что энергоёмкость процесса значительно изменяется в зависимости от шага шнека, причём при маленьком и большом шаге энергоёмкость возрастала, а при промежуточных значениях несколько уменьшалась. Очевидно, что повышение затрат мощности на шнеке с малым шагом связано с большой площадью поверхности шнека и, следовательно, большими затратами мощности на трение. При большом же шаге шнека возрастающие затраты энергии связаны с увеличивающимся межвит-ковым объёмом, который необходимо сжать и продвинуть, а в момент заполнения загрузочной зоны экструдера шнек с большим шагом плохо прессует корм, что также требует больших затрат энергии.
Ввиду того, что расчётные значения оптимальных шагов шнека для различных кормов, при которых энергоёмкость минимальна, различаются незначительно (таблица 4.4), усредним значение шага, тем самым повысим универсальность конструкции. Среднее значение шага составит 105 мм, что и примем за оптимальное значение данного параметра.
Значительное повышение энергозатрат наблюдалось при повышении коэффициента уплотнения в загрузочной зоне экструдера до максимального значения. Исходя из этого, была определена оптимальная жёсткость пружины, установленной в подшипниковом узле. Жёсткость составила 250 Н/мм. 1. Проведённые экспериментальные исследования дозатора позволили выявить уравнения регрессии подачи дозатора на различных компонентах, её поправочного коэффициента kg- 0,94...0,98 и точности дозирования, а также определить рациональные режимы и конструктивно-режимные параметры устройства. 2. Рациональный интервал изменения коэффициента уплотнения в загрузочной зоне для рассматриваемых культур находится в пределах 1... 1,04, что достигается при различных соотношениях подач дозатора и производительности экструдера: для кукурузы 1...1,1, овса - 1...1,05, пшеницы - 1 1,1, ячменя — 1...1,15, при этом подача дозатора должна составлять 0,66 т/ч; 0,53 т/ч; 0,7 т/ч; 0,63 т/ч, соответственно. 3. Исходя из минимальной энергоёмкости и универсальности устройства, был определён единый для рассматриваемых кормов шаг шнека, который со ставил 105 мм, что при известной производительности позволило определить оптимальную частоту вращения шнека для каждого корма: кукуруза - 52,64 мин"1; овёс - 58,27 мин 1; пшеница — 62,38 мин"1; ячмень - 67,13 мин"1, при этом энергоёмкость составит, соответственно: 0,573 кВт-ч/т; 0,669 кВт-ч/т; 0,638 кВт-ч/т; 0,758 кВт-ч/т. 4. При указанных режимах неравномерность остаётся в пределах 5 % и для различных кормов составляет: для кукурузы 4,07 %, для овса - 3,72 %, пшеницы - 3,07 % и ячменя - 2,89 %. 5. Оптимальная жёсткость пружины составляет 250 Н/мм, что в случае повышения коэффициента уплотнения выше указанных ранее пределов обеспечивает возможность передвижения шнека в осевом направлении.
В результате проведённых лабораторных исследований, параметры разработанного дозатора пресс-экструдера были оптимизированы, что позволило подготовить производственный образец, который был установлен на пресс-экструдер кормоцеха СПК имени Калинина Исаклинского района Самарской области.
При работе пресс-экструдера, предварительно осуществлялся вывод его на рабочий режим, для этого вначале, подачу дозатора уменьшали, а по мере прогрева экструдера выводили на режим полной производительности. Подготовленный корм загружался в бункер дозатора. В камере шнекового пресса масса гомогенизируется, за счёт трения нагревается до температуры более 393 К. При прохождении спрессованного продукта через отверстия регулятора гранулятора происходит взрыв массы, и она вспучивается.
Принципиальная технологическая схема производства экструдирован-ного корма представлена на рисунке 5.2 и включает бункеры зернового сырья 1, модернизированный пресс-экструдер 2, транспортёр готового корма 3 и бункер для кратковременного хранения готового продукта 4.
В ходе испытаний было определенно, что наиболее рационально работает модернизированный пресс-экструдер при производительности 0,5...0,65 т/ч, при этом удельная энергоёмкость составляет до 53...56 кВт-ч/т. Модернизированный пресс-экструдер КМЗ-2У [12] обеспечивает приготовление качественного корма, процесс экструзии протекает устойчиво, без значительных колебаний температуры и загрузки электропривода.
Производственная проверка модернизированного экструдера показала высокую работоспособность, хорошее качество получаемых кормов, малую энергоёмкость. Комиссия считает испытываемый дозатор перспективной конструкцией, которая может быть использована в качестве основы для промышленного образца (приложение В).
Экономический эффект от внедрения разработанного дозатора пресс-экструдера, будет складываться за счёт уменьшения первоначальных вложений на приобретение и монтаж установки, снижения расхода электроэнергии на экструдирование корма за счёт стабилизации работы экструдера и уменьшения времени его работы за счёт повышения производительности [12, 19, 53...55].
