Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований...
1.1 Побочные продукты уборки и переработки корнеплодов сахарной свеклы. Классификация и возможные сферы их применения...
1.2 Свекловичный жом, структурно-механический и химический состав, питательная ценность ...
1.3 Методы и технические средства для предварительного отжима жома...
1.4 Технологический процесс экструдирования, методические походы к определению технологических параметров и режимов (обзор, работы экструдера, анализ). Классификация экструдерных прессов...
1.5 Ботва сахарной свеклы. Классификация оборудования и рабочихорганов для её удаления...
Выводы...
2 Теоретические исследования...
2.1 Особенности структурно-механических и реологических свойств жома. Формование вязкопластичного материала...
2.2 Теоретический анализ нагружений червяка и обоснование условий движения кормовой смеси по каналу экструдера ...
2.3 Обоснование условий гарантированного продавливания предуплотнённого осевым усилием кормосмеси через отверстия фильер.
Производительность и затраты мощности экструдерного пресса по отжатому жому...
Выводы...
3 Программа и методика экспериментальных исследований...
3.1 Программа экспериментальных исследований...
3.2 Методика определения физико-механических и реологических свойств корма ...
3.3 Приборы и оборудование для экспериментальных исследований процесса экструдирования корма...
3.4 Методика оценки прочностных свойств экструдированного корма...
3.5 Методика эксплуатационно-технологической оценки работы машин для удаления ботвы...
3.6 Общие методические указания к определению погрешности средств измерении...
4 Результаты экспериментальных исследований...
4.1 Изменение влажности жома при хранении и реологические свойства корма
4.2 Изменение касательных напряжений в канале экструдера ...
4.3 Изменение плотности корма от давления прессования,влажности и температуры...
4.4 Изменение коэффициента бокового давления от влажности и удельного давления прессования...
4.5 Изменение давления продавливания жома через отверстия головки и удельной работы экструзии от их диаметра...
4.6 Эксплуатационно-технологические показатели работы ботвоуборочных машин...
Выводы...
5 Технико-экономические исследования...
5.1 Методика, исходные данные и расчёт затрат на изготовление кормовых смесей на основе жома...
Выводы...
Заключение...
Список литературы...
- Свекловичный жом, структурно-механический и химический состав, питательная ценность
- Теоретический анализ нагружений червяка и обоснование условий движения кормовой смеси по каналу экструдера
- Методика определения физико-механических и реологических свойств корма
- Изменение касательных напряжений в канале экструдера
Введение к работе
Актуальность темы. Дальнейшее повышение эффективности производства сахарной свеклы неразрывно связано не только с повышением её урожайности, но и эффективным использованием побочных продуктов уборки и переработки корнеплодов. Побочные продукты являются незаменимым сырьём для получения широкого спектра продукции для различных областей промышленности, а также животноводства. Наибольший интерес для животноводства представляют жом и ботва сахарной свеклы, используемые в рационе животных.
Ботва сахарной свеклы – ценный кормовой продукт, в 1 кг сухого состояния её содержится до 14 % белка, 17% сахара. По содержанию белка и сахара она приравнивается к зелёной массе кукурузы и бобовых культур. Хорошо организованная уборка ботвы позволит пополнить запасы сочных кормов. Однако отсутствие производства специализированных машин осложняет проблему её использования.
Жом является хорошим заменителем сухого корма (сена, сенажа). Высокое содержание воды в доставляемом в хозяйства продукте вызывает стремительное, особенно при высоких температурах окружающего воздуха, развитие окислительных процессов. Это приводит к порче продукта и бесполезности вложения затрат на его доставку. Дополнительное обезвоживание и подсушка жома создают условия для продления сроков его хранения без потерь питательной ценности. В связи с этим целесообразна разработка или модернизация простейшего оборудования применительно к условиям сельского товаропроизводителя, способствующего хотя бы кратковременному продлению сроков его хранения.
В связи с изложенным, для повышения эффективности использования свекловичной ботвы и жома необходима разработка эффективных технологий и технических средств, базирующихся на принципиально новых научных подходах и технических решениях.
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) в соответствии с заданием Россельхозакадемии 09.01.03.05 «Обосновать технологические режимы использования современных комплексов машин, в т.ч. зарубежного производства для возделывания и уборки картофеля и сахарной свеклы», планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 2011-2015 гг».
Научными трудами В.П. Горячкина, С.А. Алфёрова, Н.М. Антонова, А.М. Пустыгина, В.М. Наумовича, Г.А. Гениева, П.И. Гриднева, А.И. Завражнова, В.И. Особова, И.А. Долгова, В.Ф. Некрашевича, В.А. Сысуева, С.В. Мельникова, Ю.А. Тырнова, В.А. Афанасьева, Б.В. Егорова, О.В. Абрамова, А.Н. Острикова, Н.Н. Липатова, К.А. Фисенко, А.К. Атыханова, Н.А. Харыбина, Н.В. Гаврилова и других заложены основы общей теории формования продуктов из смесей растительного происхождения.
Вместе с тем отдельные вопросы прессования смесей изучены пока недостаточно полно и слабо реализуются в практике сельского хозяйства. Имеющиеся теоретические разработки носят частный характер, не систематизированы, а отдельные положения противоречивы и отвергнуты практикой.
Разработаны многочисленные конструкции технических средств для прессования. Вместе с тем применительно к производству сухого жома наиболее приемлемым и целесообразным является метод экструзии, основанный на применении специальных прессов, способных уплотнять до требуемой плотности жом с повышенной влажностью без дополнительного использования сушильного оборудования.
Аналитические исследования по обоснованию параметров и режимов работы экструдерных прессов для переработки сырого жома и имеющиеся сведения в литературных источниках малочисленны, а в отдельных случаях противоречивы.
Это обуславливает необходимость теоретического обоснования процесса прессования сырого жома экструдерными прессами, существенно отличающегося по свойствам от ранее применяемых в сельском хозяйстве материалов. Практическое отсутствие материалов исследований в данной области обуславливает необходимость и целесообразность получения новых знаний.
Решение вопросов уплотнения масс растительного происхождения в целях получения нового вида корма является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.
Цель исследований – повышение эффективности процесса экструдирования корма на основе свекловичного жома путём обоснования технологических параметров.
Задачи исследований:
– провести анализ существующих технологий и машин для обезвоживания и экструдирования смесей;
– провести теоретические исследования процесса экструдирования корма на основе свекловичного жома;
– разработать и обосновать технологический процесс экструдирования корма в смеси с влагопоглощающими материалами (отруби, дерть, зерновых культур, мякина), обосновать конструктивно-технологическую схему ботвоудалителя;
– экспериментально определить эффективные технологические параметры и режимы экструдирования корма;
– дать технико-экономическую оценку эффективности разработок.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
аналитические зависимости, позволяющие определить технологические параметры процесса экструдирования корма;
эмпирические зависимости и результаты экспериментальных исследований для определения производительности и затрат мощности на реализацию процесса экструдирования.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать технологические параметры и режимы работы экструдерного пресса, определить производительность и энергозатраты на осуществление технологических процессов с учётом условий работы, физико-механических свойств побочных продуктов.
Результаты исследований нашли практическое применение в ФГУППЗ «Орловский» Тамбовского района Тамбовской области, ООО НТЦ «Аграрник»
(г. Тамбов).
Установлено, что при правильном выборе технологических параметров процесса экструдирования влажность полученного корма, включающего 50% жома, 25% – отрубей, 25% – мякины составляет 12...14%, прочность на сжатия – 5,5...6,5 МПа, плотность – 900...1000 кг/м3. Работа экструдирования не превышает 85 кДж/кг при давлениях до 30 МПа.
При использовании агрегата для сбора и удаления ботвы с трактором
МТЗ-1221 дневная его производительность достигала 20...25 га. Объём перевозимой измельчённой ботвы составлял 300...400 тонн. Удельный расход топлива при уборке ботвы агрегатом составил G = 7,0...7,2 кг/га.
Полученные результаты исследований рекомендуются зоотехническим работникам, инженерам сельскохозяйственного производства, специалистам НИИ и КБ занимающихся разработкой новых технических средств, ВУЗам – при подготовке зоо- и агроинженеров.
Объект исследований – технологические процессы экструдирования корма на основе свекловичного жома.
Предмет исследований – закономерности изменений технологических параметров экструдирования.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований по обоснованию технологических параметров процесса экструдирования корма.
Результаты экспериментальных и сравнительных производственных исследований.
Технико-экономическое обоснование эффективности предложенных технических решений.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
применением современной контрольно-измерительной и вычислительной техники, использованием общеизвестных методик ГОСТов и ОСТов;
объёмом экспериментальных исследований;
согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.
Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены и обсуждены:
на заседании Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2009, 2010 гг.), на заседаниях Ученого Совета ГНУ ВНИИТиН (2009-2012 гг.), на заседаниях научно-технических советов ООО НТЦ «Аграрник» (г. Тамбов);
на XV Международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии,
г. Тамбов;
на ХVII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», 24-25 сентября 2013 года, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов.
По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей общим объёмом
1,4 печатных листа, из них лично соискателю принадлежат 1 п.л., в том числе
3 статьи – в изданиях, поименованных в «Перечне ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, 4 статьи опубликованы в сборниках научных трудов, материалах научно-практических конференций и журналах.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 122 страницах машинописного теста и содержит 4 таблицы, 66 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 182 наименования.
Свекловичный жом, структурно-механический и химический состав, питательная ценность
Свекловичный жом является побочным продуктом процесса производства свекловичного сахара, представляя собой обессахаренную свекловичную стружку (80...82% от массы переработанной сахарной свеклы с содержанием сухих ве-ществ около 6,5...7,0%) [9, 10, 21, 54…57]. Химический состав свежего свекловичного жома содержит (в сухом веще-стве) около 45...47 % целлюлозы, до 50 % пектиновых веществ, 2% белка, 0,6...0,7% сахара и около 1 % минеральных веществ, присутствуют витамины и органические кислоты [15, 18]. Основным способом использования свекловичного жома является примене-ние его в рационах кормления крупного рогатого скота мясного и молочного на-правлений. В таблице 1 приводятся данные о примерном составе свекловичного жома и его кормовой ценности в сравнении с другими кормами [14]. Как видно из приведенных данных, по питательности свекольный жом за-нимает среднее место между луговым сеном и овсом: азотистых веществ он со-держит лишь немного меньше, а легкоусваиваемых безазотистых экстрактивных веществ в полтора раза больше, чем сено и почти столько же, сколько овес. Таблица 1 – Состав свежего свекловичного жома [14] Составные части Жом Сено луговое Солома пшеничная Овес Белки 8,0 9,4 3,3 10,4 Зола 4,0 7,1 5,9 3,1 Жиры - 3,2 1,5 5,1 Клетчатка 22,0 35,7 44,8 12,1 Безазотистые экстрактивные вещества 66,0 44,6 44,5 69,3 Количество кормовых единиц на 1 кг 0,1 0,49 0,22 1,0 Содержание переваривае-мого белка в г 3 34 4 – Свежий жом. Свекловичный жом особенно популярен в кормлении крупного рогатого скота в регионах, где размешены крупные сахарные заводы: Краснодарский край, Воронежская область, Белгородская область, Тамбовская область, Курская об-ласть, Липецкая область, Пензенская область, Республика Татарстан.
Период выработки свекловичного жома: август - февраль с пиком выработ-ки в сентябре – ноябре [15, 18].
В свежем виде жом используется для нужд животноводства в радиусе 100 км от сахарного завода. Доставка его потребителям на большее расстояние стано-вится экономически невыгодной из-за высокой стоимости затрат на транспорти-ровку. Кроме того, свежий свекловичный жом скармливают сельскохозяйствен-ным животным в течение 1-2 дней после выработки, либо консервируют его в специальных жомовых ямах или в полиэтиленовых «рукавах». Это связано с его быстрой порчей из-за развития гнилостной микрофлоры, начала молочнокислого брожения, плесневения [15, 18].
Животноводческие хозяйства, занимающиеся развитием крупного рогатого скота мясного и молочного направления, смешивают свежий жом с мелассой, подвергая его силосованию, а затем скармливают животным.
Количество жома в суточном рационе составляет 55...65 процентов всех по-едаемых молодняком кормов. Благодаря использованию жома стоимость откорма относительно невысока при довольно высоком к.п.д. использования корма (7,5 кормовые единицы на 1 килограмм привеса) и суточных привесах 800...1000 грам-мов. Качество же мяса животных, выкормленных жомом, ничуть не хуже, чем у тех, которых кормили силосом из зеленого корма. Силос из свекловичного жома – также весьма продуктивный корм для молочных коров, повышающий их суточ-ный удой и жирность молока [15, 17, 18, 20, 58, 59].
Однако при длительном хранении в нем накапливается большое количество вредных кислот. Он приобретает мягкую консистенцию, и животные отказывают-ся его поедать.
Ученые разработали технологию, позволяющую устранить этот недостаток. Для сокращения потерь и предотвращения снижения его кормовых достоинств жом отжимают и силосуют, тщательно трамбуют массу и укрывают ее полимерной плен-кой. Добавление в засилосованный жом 15...20 процентов измельченной соломы и мелассы (патоки) позволяет получить силос высокого качества [10, 58, 59, 64].
Современный уровень развития химии открывает большие возможности улучшения жома также за счет использования карбамида и добавок. Карбамид за-меняет 20...30 процентов протеина в рационе крупного рогатого скота [54, 55, 60]. Производители биопрепаратов для заготовки кормов, в 2011-2012 годах проводили испытания новой технологии консервирования свекловичного жома с применением биопрепарата на основе бактерий, не являющихся молочнокислыми. Испытания новой технологии консервирования свекловичного жома на базе жи-вотноводческих хозяйств Воронежской области подтвердили возможность широ-кого применения консервированного свекловичного жома в рационах бычков на откорме и молочных коров [14, 15, 16, 54, 55].
По современным данным научных исследований по скармливанию жома све-жего, а также консервированного рекомендуемая норма ввода высокопродуктивным коровам составляет до 10 кг (в основном 5...7 кг) на голову в сутки. Основная цель ввода жома свежего или консервированного в кормосмесь для высокопродуктивных коров это: увлажнение кормосмеси до оптимальной влажности; повышение привле-кательности кормов, и как следствие, поедаемости: насыщение рационов кормления хорошо усвояемой клетчаткой, пектинами [15, 16, 54, 55]. Для лучшего консервирования жома его необходимо силосовать в силосо-хранилищах при температуре 25...30С при хорошем уплотнении и укрытии для предупреждения доступа воздуха [10, 60]. Перед силосованием жом необходимо отжимать на прессе для удаления части воды, так как при хранении неотжатого жома излишняя вода замедляет об-разование молочной кислоты, являющейся консервирующим фактором при сило-совании жома [60]. По окончании загрузки жома в силосную яму или траншею поверхность корма выравнивают, хорошо утрамбовывают и укрывают обычным способом из-мельченными и увлажненными малоценными кормами, опилками, затем мягкой жирной глиной слоем 12...15 см, землей слоем 25...35 см и сверху – утепляющими материалами [10, 64]. Высокотемпературная сушка свекловичного жома – самый рациональный прием, позволяющий повысить его сохранность и кормовые качества. Сухое ве-щество составляет в нем около 90 процентов [50, 51, 52, 53]. Сушеный жом – хо-роший ингредиент комбикормов жвачных животных [62, 63]. Питательность 1 килограмма сухого жома в 10 раз выше, чем сырого. На основе его выпускают гранулы, обогащенные карбамидом и минерально-витаминными добавками. Добавка же 1 килограмма такого корма к силосным и жомовым рационам, дефицитным по протеину и минеральным веществам, повы-шает среднесуточный привес крупного рогатого скота на 30...45 процентов, сни-жает расходы корма и себестоимость привесов на 25…30 процентов. Сравнивая питательность различных видов жома, ученые установили, что если принять эф-фективность откорма крупного рогатого скота на сыром жоме за 100 процентов, то при использовании сухого жома эффективность его увеличивается в 1,5 раза. Высушенный жом, защищённый от непосредственного попадания ботвы, может храниться без потери питательных веществ и ухудшения своих кормовых свойств, сколь угодно долго. Кормоприготовление на основе сухого жома легче поддаётся механизации, сухой жом легче дозировать [58, 59]. Рационы с жомом, сбалансированные по белку, минеральным веществам и витаминам обеспечивают высокую мясную и молочную продуктивность живот-ных, позволяют вместе с тем уменьшить потребность в концентрированных кор-мах и кормосмесях. У животных, потреблявших большое количество жома, 1 ки-лограмм прироста массы обходится на 40 процентов дешевле. Сухой свекловичный жом, дополненный белком и минеральными компо-нентами, употребляется в качестве концентрированного корма. Поскольку в нём содержится довольно много клетчатки, он может быть заменителем сухих грубых кормов [17]. Авторами [58, 59] отмечается, что сухой жом является высококонцентри-рованным кормом для скота и питательность его в 12-13 раз выше, чем у свеже-го. В то же время вес его уменьшен в 12-13 раз, благодаря чему он более транс-портабелен. По количеству кормовых единиц сухой свекловичный жом почти ра-вен овсу, т.е. в 2 раза питательнее сена и в три раза – овсяной соломы.
Теоретический анализ нагружений червяка и обоснование условий движения кормовой смеси по каналу экструдера
При работе экструдера червяк нагружается осевым усилием от продольного и поперечного градиентов давления (см. рисунок 39). Действующее на червяк осе-вое усилие Т складывается из двух компонентов – силы Тр, действующей на торец червяка и численно равная произведению давления на выходе из червяка Рг на ло-бовую площадь сечения червяка, и силы Тl, действующей на толкающую стенку червяка и равной произведению перепада давления на стенке на общую площадь стенки [71]: (31) Сила Тl вычисляется по уравнению [71]: (32) После интегрирования имеем уравнение вида: (33) где lД – фактическая длина зоны дозирования, м; Р1 – давление на участке l, МПа; – угол подъёма винтового канала, град; h – глубина канала, м; с1 – поправочный коэффициент на глубину канала, определяемый как раз-ность между внутренним диаметром корпуса и диаметром сердечника червяка (см. рисунок 39). Рисунок 39 – Схема для расчета перепада давления, возникающего поперёк стенки канала (Р – датчик давления) [71]. (34) Параметры с1, , h – отображены на рисунке 39. Уравнение для вычисления силы Тр имеет вид: (35) где Рг – давление на выходе из червяка, МПа; D – наружный диаметр червяка, м; – толщина щели, м. Координаты х и z увеличиваются пропорционально углу поворота. Поскольку червяк вращается с постоянной частотой , изменение координат можно выразить как функцию времени : (36) Перепад давления между точками 1 и 2 определится уравнением вида: (37) Из уравнения (37) видно, что локальное значение давления является перио-дической пилообразной функцией времени [70, 71]. Определим зависимость сопротивления камеры с регулируемым сечением от её геометрических параметров и действующих сил. Для этого определим условия равновесия сил и моментов при экструдиро-вании согласно [71]. Рассмотрим элемент шнека экструдера и действующие силы в сечении (см. рисунок 40). Уравнение равновесия сил согласно [71] можно выразить уравнением вида: (38) где F1 – сила трения, действующая со стороны корпуса; F2, F6 – реакции сил, действующие на выделенный элемент; F3 – сила трения действующая со стороны толкающей стенки червяка; F4 – сила трения, действующая со стороны передней стенки канала; F5 – сила трения, действующая со стороны червяка; F7, F8 – нормальные силы, действующие со стороны червяка; F9 – дополнительная нормальная сила, действующая со стороны сердечника. Рисунок 40 – Схема действующих сил [71]. Уравнением моментов сил определится уравнением: (39) где h – зазор между корпусом и червяком.
Использовать уравнения (38), (39) для инженерных расчётов не представля-ется возможным из-за сложности расчётов. Их решение возможно только числен-ными методами. Для практических расчетов целесообразно использовать более простые вы-ражения. С этой целью рассмотрим широко известные схемы экструдирования [32, 84, 85, 113] и рассмотрим условия равновесия элементарного слоя материала в канале конической формы (см. рисунок 41). Для этого принимаем условия, что обобщённая сила сопротивления F с учё-том ( ) равна: (40) где Fi – сила трения материала об элемент поверхности трения; Р0 – давление на входе, МПа; Р1, Р2 – давление на слой материала, МПа; F – сила трения, Н; Рб – давление на боковую поверхность материала, МПа; – угол при вершине конуса, град; d1, d2 – диаметры канала на входе и выходе, м; Р3 – давление на выходе, МПа. Рисунок 41 – Схема сил, действующих на материал в канале экструдера. Это условие в аналитической форме можно выразить уравнением: (41) где К – коэффициент сопротивления течению; dl – ширина (толщина) слоя материала, м; Кб – коэффициент бокового давления; d – диаметр канала, м; Р – осевое давление на материал, МПа; S1, S2 , S3 – площадь трения в сечениях, м2; 1, 2, 3 – касательные напряжения в сечениях, МПа. Полученное уравнение является необходимым условием процесса экстру-дирования и устанавливает связь между технологическими параметрами процесса экструдирования и устанавливает связь между технологическими параметрами процесса и даёт основание для расчёта основного показателя экструдера, соотно-шение длины и диаметра экструдера (L/D).
Коническая форма фильеры наиболее распространена и создаёт дополни-тельные условия для упрочнения прессуемой массы. При этом важно определить диаметры входных и выходных отверстий фильеры или их соотношение [67…71, 74…85].
В результате выполненных теоретических исследований установлены и до-казаны следующие положения: – на основе изучения кинетики напряжений и деформации кормосмеси, состоя-щей из жома, отрубей и мякины доказана её принадлежность к вязко-пластическим материалам, течение которого достаточно полно описывается уравнением Шведова-Бингама; – аналитические зависимости для определения силового нагружения червяка экструдерного пресса от продольного и поперечного градиентов давления при течении вязко-пластических тел; – условием движения жома по каналу экструдера является превышение силы давления на материал над силой трения, получена математическая зависи-мость, определяющая условия формирования материала и устанавливающая связь между геометрическими параметрами канала; – аналитическая зависимость для определения силы продавливания смеси через фильеру с учётом сил трения и противодавления; – предложены зависимости, позволяющие выполнить расчёты производительно-сти и мощности привода экструдерного пресса; – параметры и режимы работы ботвосрезающего аппарата и конструктивно-технологическая схема агрегата для удаления и сбора ботвы. Результаты теоретических исследований требуют экспериментального под-тверждения.
Методика определения физико-механических и реологических свойств корма
Исследования физико-механических свойств отходов уборки и переработки корнеплодов; исходной смеси, состоящей из сырого жома, зернопродуктов и сен-ной сечки проводились по методике ВИСХОМ, разработанной с учётом требова-ний ГОСТов, широко применяемой в процессах изучения. С использованием при-боров в процессе исследований используются показатели и характеристики физи-ко-механических свойств корма, изложенных достаточно полно в научной лите-ратуре [154].
Влажность смеси, состоящей из сырого жома, зернопродуктов и сенной сечки определяется согласно ГОСТ 12041-82 [155] с использованием сушильного шкафа и электронных весов. Адсорбционные свойства сухого корма характеризуют способность погло-щения воды гранулой, то есть скорость её набухания и последующего распада спрессованной массы при его приготовлении. В ходе экспериментальных исследований спрессованный корм помещается на определённое время в воду. По истечении заданного времени производится взвешивание, и значение её массы сравнивается с исходной. На основе экспериментов устанавливается время набухания сухого корма и период её распада. Химические свойства жома обобщаются на основе имеющихся данных в литературе [154]. Кислотность исходной смеси с учётом состава компонентов определяется с использованием рН методом ЦИНАО (ГОСТ 26483-85, ГОСТ 26212-91). Для определения формы и размеров гранул берут из средней пробы не ме-нее 100 шт и измеряют диаметр каждой гранулы с погрешностью ±1 мм. Для определения выравненности фракции корма от общей их массы отби-рают среднюю пробу. Насыпную плотность сухого корма определяют как среднее из трёх повторно-стей. Показатели качества произведённого сухого корма сравнивались с показателями ГОСТ 13456-82 «Жом сушеный» [62], ГОСТ 181-94 «Жом сушеный ТУ» [63].
Реологические свойства смеси, кинетика напряжений и сдвига исследованы с использованием ротационного вискозиметра, рисунок 31 [142...145, 147].
При исследовании структурно-механических свойств корма масса, опреде-лённой влажности, засыпалась в зазор ротационного вискозиметра, и устанавли-валось минимальное число оборотов наружного цилиндра, на поверхность кото-рого прикреплялась бумажная лента. После этого к нити, закрепленной на шки-ве внутреннего цилиндра, присоединялся динамометр с записывающим устройст-вом. После запуска двигателя, внутренний цилиндр вращается синхронно с внешним цилиндром, по мере увеличения нагрузки динамометра момент, передаваемый на внутренний цилиндр, возрастает, движение его замедляется, и когда напряжение в смеси превысит предел прочности, он останавливается. После остановки двигате-ля внутренний цилиндр вращается в обратном направлении и спустя некоторое время останавливается, а создаваемый крутящий момент соответствует напряже-нию сдвига s. Исследование проводилось при различном числе оборотов наруж-ного цилиндра. Обработка результатов проводилась по следующим формулам:
Усовершенствование вискозиметра для выполнения исследований по мето-дике заключалось в оборудовании его часовым индикатором типа КИ, который показывает угол поворота внутреннего цилиндра. Поворот цилиндра происходит за счёт момента, создаваемого при помощи шкива с постоянным ра-диусом (=22,03 мл), и подвешенного на нити груза. Применение методики =const вызвано тем, что напряжение сдвига и вязкость навозной массы не могут полностью отразить реологические свойства навозной массы.
Исследуемая смесь в зазоре вискозиметра при подвешивании груза испыты-вает деформацию. Отсчёт значения деформации производится по часовому инди-катору. При определённых значениях деформации производили разгрузку внут-реннего цилиндра (снимали груз) и наблюдали за развитием деформации. Значе-ние деформации определяли по формуле: рад, (58) где – угол поворота внутреннего цилиндра, рад.
Получение сухого экструдированного корма осуществлено на пресс-экструдерах, изготовленных «Луганьтопсервис». Пресс экструдеры предназначе-ны для получения топливных гранул и брикетов из отходов древесных опилок, шелухи гречихи и подсолнечника, растительных остатков и торфа. Производи-тельность пресса – Q = 500 кг/ч, усилие – Р = 14 т, давление прессования – Рпр 275 кг/см2, число оборотов шнека =1,3 с-1 [156].
Проведены исследования по уточнению технологических параметров и режи-мов пресс-экструдеров, а также определению возможности получения сухого корма на основе жома. Высокая влажность сырого жома w=65...70% требует её понижения для прессования до w=25...32%.
Изменение касательных напряжений в канале экструдера
Например, одночервячный экструдер состоит из червяка, вращающегося внутри цилиндрического или конического корпуса. Внутри корпуса запрессована гильза, как правило, с азотированной, закаленной и термообработанной поверхно-стью. Обогрев корпуса осуществляется нагревателями, сгруппированными по те-пловым зонам. На конце корпуса устанавливается головка с профилированными отверстиями и решетка. [47, 71].
Червяк – основной рабочий орган экструдера. Он забирает материал из за-грузочного устройства, приводит материал в пластическое состояние и подает его в виде расплава к головке. При движении по каналу червяка, материал разогрева-ется, как за счёт тепла, выделяемого вследствие вязкого трения, так и тепла, под-водимого от расположенных на корпусе нагревателей [47].
Вследствие уплотнения из материала удаляется вода и воздух. Объём смеси уменьшается и для компенсации уменьшения удельного объёма смеси канал червяка выполнен с уменьшенным объёмом витка за счёт изменения высоты нарезки [47, 71].
При движении кормосмеси, влажностью w = 25…32%, по каналу экструдера меняется её состояние от твёрдого до вязкотекучего. Для учёта влияния выделяемого при экструзии тепла и теплообмена с окру-жающей средой определены касательные напряжения экструдируемого корма от температуры в канале экструдера (см. рисунок 55).
Касательные напряжения экструдируемого корма в канале экструдера с рос-том температуры снижаются. Это объясняется тем, что входящие в кормосмесь химические соединения, служащие изначально пластификаторами и усиливаю-щими связующие свойства, с ростом температур размягчаются. Происходит их интенсивное испарение, а соответственно структура смеси ослабевает, касатель-ные напряжению снижаются. Экструдирование корма на основе жома (50%) и влагопоглощающих материалов (отруби – 25%, мякина 25%) целесообразно про-водить при температуре в канале экструдера в пределах 80...100С.
Плотность кормосмеси во взаимосвязи с давлением и влажностью опреде-лена на основе обработки диаграмм сжатия. На рисунках 56, 57, 58 представлены результаты экспериментальных исследований. – w=50%; 2 – w=40%; 3 – w=20%.
Установлено, что с увеличением давления прессования плотность экс-трудируемого корма увеличивается (см. рисунок 56). При исходной влажности w=60% плотность спрессованного корма составляет =400...420 кг/м3, при w=40% – =760...780 кг/м3, при w=20% и давлении прессования Р=75 МПа =1100...1150 кг/м3. С повышением температуры плотность корма снижается. Это вызвано тем, что с ростом температуры выделяется большое количество растворенных газов и так следствие в силу нарушения молекулярных связей объём увеличивается (см. рисунок 57). – w = 20%, 2 – w = 50%.
Исследования прочности спрессованного корма выполнены согласно мето-дики, изложенной в третьем разделе. Материалы исследований представлены на рисунке 58. – Ру=30МПа; 2 – Ру=15 МПа. Рисунок 58 – Прочность корма на сжатие при различной влажности и удельном давлении прессования. Анализируя представленный графический материал (см. рисунок 58) можно констатировать, что оптимальная влажность экструдированного корма составляет w=10...12%. Прочность на сжатие снижается с её увеличением, что объясняется при-сутствием излишней влаги. Такой корм необходимо подсушивать естественным спо-собом при температуре не ниже 24...25С, использовать различного рода сушилки или применять обдув воздухом. Целесообразно также в конструкции экструдера применять вакуумирование с целью удаления парогазовых субстанций.
Исследования выполнены на экспериментальном оборудовании с фиксиро-ванием давления соответствующими датчиками. Исследовано влияние влажности и удельного давления прессования корма на коэффициент бокового давления в головке экструдера. Установлено (см. рисунок 59), что с увеличением влажности корма до w=10...12 % коэффициент бокового давления уменьшается. Это объясня-ется изменением пластической прочности. Масса наиболее пластифицирована при повышенной влажности. Низкая влажность корма обуславливает в зоне головки экструдера сухое трение.
Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением диамет-ра отверстий давление продавливания и удельная работа снижаются. Это обстоя-тельство вызвано снижением сил трения и гидравлического сопротивления при движении корма, что достаточно полно согласуется с результатами аналитических исследований.
На рисунках 62, 63 отображена зависимость потребляемой мощности пресс-экструдера от производительности, а также характеристики конического червяка и головки экструдера при изменении диаметра выходных отверстий в интервале d = 3...10 мм. Производительность червяка возрастает с увеличением диаметра от-верстий в головке, что объясняется снижением сил сопротивления. Как результат давление в головке резко снижается.
Технологический процесс, выполняемый ботвоуборочной машиной БМ-6А, основан на принципе обрезки ботвы на корню вращающимися круглыми ножами, оснащёнными режущими сегментами. Ножи, вращаясь, обрезают ботву и забра-сывают её лопастями на приёмный транспортёр, который подаёт её к битеру. Би-тер перетряхивает ботву и сбрасывает её на горизонтальный транспортёр, а затем на ворошитель. Ботва, ударяясь о прутки ворошителя, дополнительно очищается от свободной земли и более равномерно распределяется по ширине горизонталь-ного транспортёра. Горизонтальным транспортёром ботва ещё раз перетряхивает-ся, очищается от земли и с помощью битера подаётся на погрузочный транспор-тёр для погрузки в рядом идущий транспорт.
