Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и основные направления совершенствования процесса экструдирования кормов 10
1.1 Возможности технологии экструдирования кормов 10
1.2 Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов 25
1.3 Обзор теорий прессования и экспериментальных исследований экструдирования материалов растительного происхождения 34
1.3.1 Описание взаимодействия рабочего органа с обрабатываемым материалом при экструдировании 34
1.3.2 Современные представления о энергозатратах при движении материала в полостях рабочего пространства экструдера 39
1.4 Формулировка целей и задач исследования 42
2 Теоретическое исследование течения материала при сложном сдвиге 44
2.1. Обоснование необходимости моделирования течения материала при сложном сдвиге для определения сдвиговых характеристик 44
2.2 Поиск устройства для моделирования течения материала при сложном сдвиге 46
2.3 Описание течения материала при сложном сдвиге на устройстве, создающем сложный сдвиг 51
2. 4 Выводы по второй главе 60
3 Методика экспериментальных исследований 61
3.1 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях 62
3.1.1 Описание экспериментальной установки 62
3.1.2 Описание тензометрической системы измерения давлений и крутящего момента в фильере устройства, создающего сложный сдвиг 66
3.1.3 Описание системы измерения температуры в фильере
устройства, создающего сложный сдвиг 73
3.2 Программное обеспечение экспериментальных исследований 75
3.2.1 Описание программы для обработки результатов измерений АЦП 75
3.2.2 Обработка результатов экспериментов 79
3.3 Выводы по главе 79
4 Экспериментальное определение реологических коэффициентов при сложном сдвиге 81
4.1 Материалы, применяемые при исследованиях 81
4.2 Подготовка сырья 81
4.3 Планирование эксперимента и обработка результатов эксперимента 82
4.4 Анализ экспериментальных данных 89
4.5 Выводы по четвертой главе 96
5 Совершенствование пресс-экструдера с использованием эффекта сложного сдвига и его оптимизация 98
5.1 Разработка новой конструкции головки пресса экструдера 99
5.2 Внутренняя характеристика процесса экструдирования 101
5.3 Параметры эффективности процесса экструдирования 103
5.4 Оптимизация геометрических параметров прессующего механизма 105
5.5 Оптимизация кинематических параметров прессующего механизма 109
5.6 Экспериментальное исследование на усовершенствованном пресс-экструдере 110
5.7 Экономическая эффективность внедрения нового объекта 118
5.8 Практические результаты 124
Общие выводы по работе 125
Список использованных источников 127
Приложения 140
- Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов
- Поиск устройства для моделирования течения материала при сложном сдвиге
- Описание тензометрической системы измерения давлений и крутящего момента в фильере устройства, создающего сложный сдвиг
- Оптимизация геометрических параметров прессующего механизма
Введение к работе
Актуальность темы. Приготовление кормов в шнековых пресс-экструдерах является одним из экономически выгодных способов. Уникальность процесса экструдирования состоит в том, что в нем совмещается несколько процессов, таких как перемешивание, сжатие, нагревание, стерилизация, формование, причем все они протекают быстро, непрерывно и практически одновременно. В обычных условиях для каждого такого процесса необходимо оборудование для его реализации, что обуславливает создание производственной линии, но при применении шнекового пресс-экструдера все процессы можно совмещать в одной машине, поэтому эта необходимость отпадает. В связи с этим имеет место экономия производственной площади, количества машин, необходимых для производства, а также людей, обслуживающих производство.
Экструдированные корма легко усвояемы, дольше хранятся, так как при обработке подверглись интенсивному термомеханическому воздействию, вследствие чего погибают все вредные бактерии, происходят желатинизация крахмала и декстринизация белков компонентов корма. Повышение усвояемости приводит к увеличению живой массы и уменьшению затрат корма, что снижает себестоимость готовой продукции.
При загрузке, разгрузке, транспортировании и раздаче экструдированные корма меньше теряются по сравнению с рассыпным кормом, что также позитивно влияет на снижение издержек при доставке корма потребителю.
Однако, несмотря на множество достоинств процесса экструдирования, основным его недостатком является ресурсоемкость. В связи с этим решение задачи снижения энергоемкости с одновременным повышением качества экструдированного корма является актуальной при приготовлении кормов.
Для решения этой задачи предлагаются конструктивные изменения в механизм пресс-экструдера (проводят структурный синтез), а затем
определяются оптимальные геометрические и кинематические параметры пресс-экструдера (параметрический синтез).
При проведении этих операций необходимо разработать математическую модель взаимодействия шнека с обрабатываемым материалом, для чего нужно знать его реологические свойства.
Рабочее пространство пресс-экструдера условно разделено на зоны: прессования, выдавливания, формования и утечек. Особенность зоны утечек заключается в том, что в ней совмещаются два течения: вдоль оси шнека и в окружном направлении; в этой зоне в тонком слое обрабатываемого материала возникает сложный сдвиг. Но до настоящего времени при проектировании пресс-экструдера и в исследовательских работах для описания зоны утечек применялись реологические параметры обрабатываемого материала, полученные на ротационных вискозиметрах, которые недостаточно точно моделируют воздействие шнека на обрабатываемый материал.
На основании изложенного создание устройства, которое моделирует весь характер воздействия шнека на обрабатываемый материал в полости утечек, и определение реологических параметров обрабатываемого материала в этой полости с его помощью позволяют решить задачи снижения энергоемкости процесса экструдирования.
Работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовления», которая включена в тематику НИР Оренбургского государственного университета на 1996 ... 2008 гг., номер госрегистрации 01.960.005780.
Цель исследования. Исследование реологических свойств комбикормов при воздействии на него рабочего органа шнекового прессующего механизма.
Задачи исследования:
1. Анализ литературных источников позволил определить перспективы развития производства экструдированных кормов,
современное состояние механики процесса экструдирования кормов, современные представления зависимости затраченной энергии от реологических параметров материала в полости утечек, а также пути повышения эффективности шнекового прессующего механизма.
Обосновать необходимость разработки устройства для моделирования воздействия на сыпучий комбикорм шнека в полости утечек пресс-экструдера и предложить методику и средство для определения его реологических параметров.
Разработать лабораторный стенд для определения реологических параметров комбикорма при сложном сдвиге, который возникает в полости утечек пресс-экструдера.
Экспериментально исследовать и определить реологические параметры комбикорма при сложном сдвиге.
Предложить новые технические решения по результатам исследований.
Объект исследования: процесс работы одношнекового пресс-экструдера для производства кормовых продуктов.
Предмет исследования: закономерности изменения реологических свойств комбикормов при сложном сдвиге в процессе механического воздействия на экструдируемый материал рабочего органа шнекового пресс-экструдера.
Научная новизна заключается:
в моделировании течения материала при сложном сдвиге;
в разработке устройства для исследования реологических свойств материала при сложном сдвиге, позволяющего смоделировать течение материала в полости утечек и компрессионных затворах шнекового прессующего механизма;
в выявлении реологических свойств материала при сложном сдвиге;
- в усовершенствовании конструкции пресс-экструдера для
экструдирования материалов растительного происхождения.
Практическую ценность имеют:
- методика определения реологических параметров материала при
сложном сдвиге, возникающем в полости утечек и компрессионных затворах
шнекового пресс-экструдера;
новая конструкция устройства, создающего сложный сдвиг в тонком слое материала, патент РФ № 2244287;
реологические параметры комбикорма при сложном сдвиге в процессе экструдирования, необходимые для проектирования шнековых пресс-экструдеров;
новая конструкция пресс-экструдера, патент РФ №2294282. На защиту выносятся:
математическая модель течения материала при сложном сдвиге;
- методика определения реологических параметров материала при
сложном сдвиге, возникающем в полости утечек и компрессионных затворах
пресс-экструдера, и реологические свойства сыпучего комбикорма при
сложном сдвиге;
- новые технические решения конструкции рабочих органов
шнековых прессов, оборудования для определения реологических
параметров обрабатываемого материала при сложном сдвиге и результаты
векторной оптимизации процесса экструдирования на усовершенствованной
конструкции шнекового пресса.
Реализация результатов диссертационной работы: Разработаны технические условия процесса экструдирования для производства на ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный завод» (приложение В), конструктивные параметры для модернизации пресс-экструдера ПЭШ-30/4 на ОАО «Оренбургский станкозавод» (Приложение Г), учебно-методические материалы по определению реологических параметров материала при сложном сдвиге, используемых в учебном процессе ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» при подготовке студентов специальностей 260601 «Машины и аппараты пищевых производств» по
дисциплине «Физико-механические свойства сырья» (Приложение Д).
Апробация. Основные положения диссертации были доложены на научных конференциях:
«Союз науки с производством - основа длительного успеха в рыночных условиях» - 3-тья научно-техническая конференция 2003г. (г. Оренбург)
«Оптимизация сложных биотехнологических систем» -Всероссийская научно-практическая конференция, 9-Ю октября 2003г. (г. Оренбург)
«Пищевые технологий» - Общероссийская конференция молодых ученых с международным участием 30 мая 2006г. (г. Казань).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 2 - в рецензируемых журналах.
Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, в том числе: 41 страниц с рисунками и фотографиями, 13 страниц списка литературы из 141 наименования (из них 21 иностранных) и 18 страниц приложений.
Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов
В современной практике экструзионных технологий нашли наиболее широкое применение два типа экструдеров - одношнековые и двушне-ковые, которые соответственно имеют особенности и различаются по производительности, назначению, технологическим возможностям, по уровню технического исполнения [14,17,26,27,34-36,45,52,66,68,69,88,92,95,96,106, 109,126,137].
Многошнековые машины широкое распространение получили в области экструдирования термопластов, в перерабатывающих отраслях и кормоприготовлении наибольшее распространение получили машины с рабочим органом в виде одного шнека [25,92].
Одношнековые экструдеры имеют как свои достоинства, так и недостатки. Они проще в изготовлении, относительно дешевы, у них возможно восстановление геометрии их рабочего органа, поскольку износ шнека концентрируется по торцу и наружной кромке витков шнека, кроме того, для них лучше развито математическое описание теории процесса, что расширяет возможности оптимизации таких прессующих механизмов. Недостатками одношнековых экструдеров являются плохое смешивание обрабатываемого продукта, отсутствие принудительного транспортирования, что ведет к неудовлетворительному транспортированию продукта с высоким содержанием жира и воды, отсутствие самоочистки и, как следствие, - опасность спекания продукта на шнеке при его низкой влажности. В таких экструдерах чаще возникают подъемы давления из-за накопления продукта; переход с одного сырья на другое затруднен тем, что камеру и шнек необходимо очищать, а значит нужно разбирать экструдер. Более высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин связаны с длительными простоями при чистке, большими трудозатратами и объемом работ по обслуживанию [92].
Двухшнековые машины, имеют сложную конструкцию (вследствие чего потребляют на 20 ... 50 % больше энергии, а стоимость их выше на 60 %), трудоемкость в использовании и значительный износ рабочих органов, которому подвергаются не только винтовая поверхность, но и основание шнека. В связи с этим, в двухшнековом экструдере свойства продукта и эффективность процесса экструдирования в большей степени зависит от износа шнека [109]. Применение двухшнекового экструдера не требует предварительной гидротермической обработки продукта, что упрощает производственный процесс. Преимущество двухшнекового экструдера составляет точное объемное дозирование, лучшее перемешивание продукта, эффект самоочистки, вследствие которого не происходит залегание продукта в прессующем механизме, а также способность перерабатывать смеси с высоким содержанием жира и сахара [67,92].
Есть общие принципы в конструировании обоих типов машин. Современная многофункциональная установка состоит из следующих основных узлов: экструзионная камера; шнековые валы; привод шнековых ва лов; матрица с фильерами; режущее устройство; дозатор компонентов; пульт управления [95].
Главными узлами экструдера являются камера и шнек. Экструзион-ная камера длиной более 500 мм, как правило, делается составной, то есть собирается из отдельных секций-модулей, которые пристыковываются друг к другу вдоль продольной оси. Такая конструкция позволяет изменять технологическую длину прохождения и соответственно время пребывания обрабатываемого материала. Камера двухшнекового экструдера в поперечном разрезе имеет форму восьмерки, тогда как сечение камеры одношне-кового экструдера представляет собой круг.
В зависимости от технологической задачи на различных участках камеры применяются корпусные секции закрытые или со специальными отверстиями для введения сухих (в двухшнековых машинах) или жидких компонентов, дегазации (пароотбора). В каждом модуле возможно размещение измерительных датчиков (температуры, давления) для контроля за процессом. Каждый модуль может иметь автономный режим нагрева или охлаждения, обеспечивающий температурный режим по зонам прохождения материала в соответствии с конфигурацией шнеков.
Камеры одношнековых экструдеров имеют от 3 до 8 продольных канавок. Канавки необходимы для улучшения принудительного движения продукта вдоль оси камеры, так как порошкообразный материал, спрессовавшись в пробку и приобретая пленку расплава, начинает проскальзывать по стенке камеры и перестает передвигаться поступательно. Кроме того, наличие канавок увеличивает механическое воздействие на экструдируе-мый материал. Канавки могут нарезаться по винтовой линии как в направлении нарезки винтов шнека, так и в противоположном направлении. Если направление винтовых линий шнека и цилиндра совпадает, это интенсифицирует процессы смешения прессуемого материала и его теплообмена со шнековым цилиндром. При противоположном направлении винтовых линий лучше происходит отжим жидкой фазы из прессуемого материала.
Комбикорм может содержать «шлифующие» ингредиенты (кусочки скорлупы, шелуху, костную муку и др.), которые способствуют увеличению износа камеры. Для улучшения защиты от износа камер экструдеров при переработке биополимеров был использован опыт работы механизмов по обработке синтетических полимеров. С этой целью часто используются заменяемые вкладыши с повышенным сроком службы - более 15 000 часов.
Шнековые валы более сложной формы (по сравнению с простым червяком с постоянным шагом и диаметром) выполняются, как правило, в модульном варианте, что позволяет собирать различный профиль шнеков для требуемой конкретной технологии. Шнековые элементы набираются на общие стержни-валы и фиксируются посредством призматических шпонок или шлицевых соединений (радиальное фиксирование с аксиально-винтовым креплением на конце вала). Собранные шнеки, находящиеся в экструзионной камере, соединяются муфтами с валами редуктора привода. Конструкция муфты обеспечивает свободный выход шнеков из камеры.
Увеличение длины шнека повышает развиваемое давление и уменьшает нежелательные противотоки материала, снижающие производительность пресса. Однако длинный шнек (с длиной больше 25 диаметров) при малом диаметре может быть перегружен крутящим моментом, создаваемым сопротивлением прессуемого материала. При большой длине и консольном закреплении шнека возможны большие прогибы свободного кон ца шнека, что затрудняет его эксплуатацию.
Рабочую длину шнека обычно разделяют на три участка, соответствующие трем происходящим при прессовании процессам: затягиванию прессуемого материала в шнековый цилиндр, уплотнению его и пластификации и, наконец, гомогенизации и созданию давления для продавливания через фильеры матрицы.
Конфигурация шнеков (геометрический профиль) является особенностью экструдеров. В зависимости от вида, физического состояния перерабатываемого материала и требуемого качества продукта выбирается геометрический профиль шнека в целом. При этом учитывается состав, количество ингредиентов кормосмеси, их совместимость.
По функциональному назначению шнековые модули подразделяются на следующие основные типы: транспортирующие, смешивающие, разогревающие.
Поиск устройства для моделирования течения материала при сложном сдвиге
Для моделирования течения материала при сложном сдвиге подходят только две модели устройств, создающих сложный сдвиг, запатентованные под номерами 2244287 [78] и 2194266 [76].
Схема устройства, запатентованного под номером 2194266, представлена на рисунке 2.1. Работа устройства осуществляется следующим образом.
На опоре 4 закрепляется камера сжатия 7. Исследуемый материал помещают в камеру сжатия 7, уплотняют плунжером 9 без штока 11 и экструдируют в канале фильеры 6. После заполнения канала фильеры 6 плунжер 9 извлекают, камера сжатия 7 снимается и в нее устанавливается кондукторная втулка 8, затем плунжер 9 оснащают штоком 11 со сменным поршнем 12. Далее при помощи электродвигателя 18 посредством привода устройство приводится во вращение с заданной угловой скоростью, при этом сменный поршень 12 сжимая материал непосредственно в канале фильеры 6 остается неподвижным, поскольку кронштейн 13, зафиксированный на станине 14, имеет отверстие с выступами соответствующими лыскам 10 симметрично выполненным на плунжере 9, что исключает возможность проворачивания плунжера 9. Соосность сменного поршня 12 и фильеры 6 обеспечивается тем, что шток 11 помещен в кондукторную втулку 8, находящуюся в плотном контакте с камерой сжатия 7.
После завершения сжатия в канале фильеры 6 прессованный материал удаляется через сквозное окно 2 в цилиндрическом основании 1 устройства. По разности осевых усилий в стенках фильеры 6 перед сменным поршнем 12 и после него определяют сопротивление движению слоя, который течет вокруг сменного поршня 12. При помощи замены сменного поршня 12 на больший или меньший диаметр и другую длину, получают возможность изменения толщины слоя исследуемого материала. Плунжер 9 имеет в верхней части опорную головку с резьбовыми отверстиями для болтов, предназначенных для создания усилия обратного хода плунжера 9. Прямой ход плунжера происходит в результате нагружения прибора на прессе, предназначенном для испытания механических свойств материалов. Использование устройства позволяет моделировать процессы, протекающие в компрессионных затворах и полостях утечек в одношнековых прессах для переработки биополимеров, например комбикормов и продовольственных продуктов. При помощи данного устройства возможно измерение крутящего момента и напряжений, возникающих в компрессионных затворах и полостях моделирующих полости утечек. С помощью данного устройства можно измерять вязкость материала экструдируемого в условиях сложного сдвига. Усовершенствованная конструкция устройства, создающего сложный сдвиг, на которую получен патент РФ № 2244287. представлена на рисунке 2.2. Работа устройства осуществляется следующим образом. Исследуемый материал помещают в камеру сжатия 5, уплотняют плунжером 8 на прессе, предназначенном для испытания механических свойств материалов, и экструдируют в канале фильеры 4, одновременно при этом приводят во вращение шток 2 со сменным поршнем 3 с заданной угловой скоростью при помощи электродвигателя 10 посредством привода 11. При этом устройство остаётся неподвижным, т.к. оно зафиксировано к станине 12. По ходу испытания отход удаляется через сквозное окно 7 в цилиндрическом основании 6 устройства. По разности осевых усилий и крутящего момента в стенках фильеры 4 перед сменным поршнем 3 и после него определяют сопротивление движению слоя, который течёт вокруг сменного поршня 3. При помощи замены сменного поршня 3 на больший или меньший диаметр и другую длину получают возможность изменения толщины слоя исследуемого материала. Для замены сменного поршня 3 снимают неразборный узел с подшипниковой опоры. Прямой ход плунжера происходит в результате нагружения устройства на прессе, предназначенном для испытания механических свойств материалов. Использование устройства позволяет повысить удобство при изготовлении и точность при эксплуатации при моделировании процессов, протекающих в компрессионных затворах и полостях утечек в одношнековых прессах для переработки полимеров, при измерении крутящего момента и напряжений, возникающих в компрессионных затворах и полостях, моделирующих полости утечек, а также и при измерении вязкости материала, экструдируемого в условиях сложного сдвига. Наиболее удобный вариант представляет собой устройство, запатентованное под номером 2244287 (рисунок 2.2). В нем нет токосъёмника, нет тензометрических колец, привод приводит во вращение не весь корпус, а только закрытый шток со сменным поршнем, вследствие чего отпадает необходимость создания кожуха, как того требует техника безопасности при работе с вращающимися механизмами. Тензодатчики наклеиваются непосредственно на фильеру, а не на тензометрические кольца, что повышает точность измерения и снижает трудоёмкость при изготовлении.
Описание тензометрической системы измерения давлений и крутящего момента в фильере устройства, создающего сложный сдвиг
Для работы с АЦП при проведении экспериментального исследования было разработано программное средство. Внешний вид интерфейса программы представлен на рисунке 3.12. В левой части поля расположены окна, где происходит графическое отображение процесса в режиме реального времени по каждому каналу. При необходимости любое окно можно раздвинуть на весь экран. В правой части отображается ход процесса по каналам в табличном виде. Кроме того, команды панели управления позволяют разворачивать во весь экран либо графики, либо таблицу.
Перед началом работы необходимо инициализировать модуль, щелкнув левой кнопкой мыши на панели инструментов команду «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ)). Для контроля записи процесса предусмотрены команды «СТАРТ» и «СТОП». При каждом новом нажатии «СТАРТ» создается новый файл, который записывается в отдельную папку, при этом на экране можно следить за ходом процесса по графикам и числовым значениям в таблице. Остановка записи осуществляется командой «СТОП». Для повторного просмотра записанного процесса существует команда «ЗАГРУЗИТЬ», здесь из предложенного перечня файлов достаточно выбрать нужный. Опция «НАСТРОЙКИ» предназначена для корректировки параметров необходимых для работы АЦП. Активизация этой опции вызывает диалоговое окно представленное на рисунке 3.13.
В данном окне можно изменить следующие основные параметры: число каналов (4 и 8); рабочий диапазон изменения напряжения на тензодатчиках (от ±10mV до ±80mV); опорное напряжение (2,5 V и 5V); режим (статодинамика, статика 4 канала и статика 8 каналов); питание измерительных мостов (постоянный ток, DC и переменный ток АС).
Закладка «КАЛИБРОВКА» на панели инструментов диалогового окна, представленного на рисунке 3.13, предназначена для внутренней и внешней (системной) калибровки АЦП. Вид ее диалогового окна представлен на рисунке 3.14.
Для калибровки каналов АЦП необходимо кликнуть левой кнопкой мыши команду «MIN сигнал + МАХ сигнал», при этом разбаланс моста состоящего из тензодатчиков и внутренних резисторов модуля АЦП минимальный. После сообщения диалогового окна об успешной калибровке нуля, разбаланс доводится до максимального необходимого значения и повторно запускается команда «MIN сигнал + МАХ сигнал».
При правильном выполнении в окне должно появиться сообщение об успешном завершении калибровке канала. Каждая функция калибровки выполняется одновременно для всех каналов модуля. Для внутренней калибровки нуля существует команда «СТАРТ». Для смешанной калибровки -команда «X Zero(int) + Scale(ext)» и «Z Scale(int) + Zero(ext)».
Закладка «ГРАФИКИ» на панели инструментов диалогового окна позволяет изменить параметры графиков основного окна, представленного на рисунке 3.12. Здесь возможно изменение следующих параметров: тип линии, толщина и цвет линии; название графика; показывать или не показывать значения на графике; трехмерное изображение, см. рисунок 3.15.
При обработке результатов экспериментальных исследований все расчеты производились с помощью входящей в пакет Microsoft Office ХР прикладной программы - электронных таблиц Microsoft Excel 2002 с использованием встроенных в программу стандартных функций, в том числе и статистических. В качестве критерия оценки достоверности использовался доступный в Microsoft Excel 2002 коэффициент достоверности аппроксимации R2.
Разработан автоматизированный лабораторный стенд с устройством, создающим сложный сдвиг, который позволяет провести экспериментальные исследования при разных режимах течения растительного материала.
Оптимизация геометрических параметров прессующего механизма
Для соблюдения одинакового начального условия для каждого опыта нужно помещать в устройство одинаковые навески исследуемого материала.
В ходе предварительных испытаний необходимо определить скорость перемещения подвижного стола пресса. Это достигается при помощи видеосъёмки цифровой видеокамерой с часовым таймером. На станину пресса устанавливается штангенциркуль таким образом, чтобы подвижный конец штангенциркуля мог в ходе эксперимента передвигаться вместе с подвижным столом пресса. Ход стола снимается на видеокамеру при разных режимах испытания. После обработки видео изображения выясняется, что при разных режимах нагрузки стол пресса передвигается с одинаковой постоянной скоростью 0,67мм/с. Постоянство объёмной производительности устройства, создающего сложный сдвиг, следует из постоянства внутреннего диаметра фильеры, который равен 15 мм.
По окончании каждого опыта после очистки полости фильеры от остатка материала производилось определение плотности этого остатка путём взвешивания его на электронных весах для определения массы. Затем эту массу помещали в мерную стеклянную колбу для определения, занимаемого объёма. Предполагалось, что с момента засыпания до начала экструдирования через зазор материал должен стать несжимаемым. Результаты замеров показывают, что плотность спрессованного материала каждого опыта колеблется от 1150 до 1250 кг/м , что говорит о её относительном постоянстве.
Одинаковые навески засыпки, постоянная скорость уплотнения (перемещение стола пресса постоянно), постоянная плотность - все эти аргументы говорят о том, что независимо от начальной влажности материала и зазора между фильерой и поршнем материал достигает состояния несжимаемости при плотности в 1200 кг/м .
Таким образом, все опыты проводились при одинаковых начальных условиях, что говорит о достоверности результатов эксперимента.
По данным предварительного эксперимента также выяснилось, что температура экструдата меняется с изменением диаметра поршня, т.е. с изменением величины зазора, и остаётся постоянной при изменении длины поршня. Индекс течения п и коэффициент консистенции д. являются функциями изменения температуры и влажности n = f(W,T), д/ = f(W,T). Из теоретического исследования следует, что из одной прямой в системе координат 1пт - \пу можно извлечь только одно значение п и одно значение дЛ Для построения одной прямой lnr(ln ) нужны два ряда экспериментальных данных 1пт и In/, а в ходе одного опыта мы можем определить только одно значение 1пт и только одно значение In/, что даёт одну точку на прямой \пт(\пу). Но у каждой точки этой прямой должны быть одинаковыми температура и влажность и тогда можно считать, что каждое извлеченное значение п или а. соответствует этим температуре и влажности. Постоянную влажность можно задать, а для получения постоянной температуры необходимо проводить эксперименты с постоянной величиной зазора.
Для более точного определения прямой на плоскости рекомендуется, чтобы у всех экспериментальных точек были разные значения координат. В нашем случае, чтобы в ряде данных 1пт или In/ не было одинаковых значений.
Механический пресс нагнетает плунжер с постоянной статической скоростью 0,67 мм/с, что даёт постоянную производительность, которая входит в уравнение (2.30), поэтому эта составляющая суммарной скорости сдвига остаётся постоянной при постоянной величине зазора. Изменение угловой скорости вращения поршня, которая входит в уравнение (2.18), приводит к изменению второй составляющей суммарной скорости сдвига, что, в конечном счете, делает значения в ряде данных In/ разными.
По результатам предварительных экспериментов рекомендуется проводить эксперименты при угловой скорости вращения поршня 19,138; 20,0; 20,848; 21,681; 22,505 рад/с, т.к. в диапазоне возможных частот вращения при работе устройства, создающего сложный сдвиг, эти значения соответствуют рабочим частотам вращения шнека на пресс-экструдере.
С увеличением угловой скорости вращения поршня наблюдаются увеличение крутящего момента, который входит в уравнение (2.9), и уменьшение осевого давление, которое входит в уравнение (2.25). При уменьшении осевого давления уменьшается осевое напряжение сдвига, а при увеличении крутящего момента увеличивается окружное напряжение сдвига, поэтому при одновременном увеличении крутящего момента и уменьшении осевого давления могут получиться одинаковые значения суммарного напряжения сдвига. В связи с этим в каждом опыте одновременно изменяются угловая скорость вращения поршня и длина поршня dz, которая входит в уравнение (2.25).
Проведя эксперименты по выше приведенной последовательности при пяти значениях угловой скорости поршня от 19,138 до 22,5 рад/с, пяти значениях длины поршня от 2 до 20 мм, шести повторности, для каждой прямой lnr(lnf) были получены пять экспериментальных точек, что достаточно для определения положения прямой на плоскости. Из условия задачи экспериментального исследования тангенс угла наклона прямой 1П(Г(1п/) к оси абсцисс должен быть больше 0 и меньше 1 (0 п 1),а сдвиг по оси ординат должен быть положительным (lnji 0).
Изменяя величину зазора (температура при этом меняется) или, задавая другую влажность и повторяя всю выше приведенную последовательность эксперимента, мы получим данные для построения новых прямых, откуда можно извлечь новые значения п и 1пд . При шести значениях влажности, трех диаметрах поршня (каждый поршень соответствует одному зазору) получим два ряда экспериментальных данных из восемнадцати значений п и восемнадцати значений \щ\ каждому значению п или 1пр/ будут соответствовать одно значение температуры и одно значение влажности. При этом было проведено 540 опытов для каждого рецепта комбикорма.
После шести повторности каждого опыта с помощью АЦП LC212F мы получаем шесть экспериментальных значений крутящего момента, шесть экспериментальных значений осевого давления и шесть экспериментальных значений температуры.
Полученные результаты целесообразно подвергать статистической обработке, с целью выявить соответствие истинному значению измеряемых параметров. Статистический анализ проводится по методике, изложенной Ю.П. Грачевым. Критерием оценки является средквадратичное отклонение.
