Оптимизация процесса обработки зернового сырья на шнековом пресс-экструдере

Режущий аппарат состоит из цилиндрического корпуса 4, который одновременно является приёмным бункером; диска 6 с вертикальными 2 и горизонтальными 3 ножами, который жёстко соединён с валом 1 электродвигателя (не показан); противорезов 5, жёстко соединённых с корпусом 4. Кроме того, к диску 6 со стороны, противоположной стороне, на которой размещены ножи 2 и

3, жёстко присоединены швырялки 8, а к корпусу

4, напротив швырялок 8, - выгрузной бункер 7. При этом в диске 6 под горизонтальными 3 ножами выполнены окна по форме прямоугольника. Вертикальные 2 ножи жёстко и под углом 90 градусов установлены к горизонтальным 3 ножам, причём с образованием вертикальных окон, сформированных сверху плоскостью горизонтального 3 ножа, снизу плоскостью диска 6, а слева и справа плоскостями вертикальных 2 ножей. При этом крайние вертикальные 2 ножи пристыкованы своими боковыми плоскостями к торцевым поверхностям окна, противорезы 5 имеют возможность взаимодействия с горизонтальными 3 и вертикальными 2 ножами. Расстояние между вертикальными 2 ножами в перпендикулярном направлении к их боковым поверхностям находится в пределах от 15 до 50 мм.

Режущий аппарат работает следующим образом. При включениии измельчителя (электродвигателя) диск 6 с ножами 2 и 3, а также со швырялками 8 приводится во вращение (против часовой стрелки) от электродвигателя (не показан) посредством вала 1. Загружают продукт в корпус 4 через его верхний срез, который поступает на диск 6 и при взаимодействии с противорезами 5 равномерно распределяется на его торцевой поверхности и подвергается обработке. При этом горизонтальные и вертикальные ножи оказывают силовое воздействие на продукт, в результате чего продукт разделяется на кусочки по форме параллелепипеда, одна из граней которого соответствует профилю окон, образованных поверхностями деталей режущего аппарата. Длина

полученных кусочков равна расстоянию между вертикальными 2 ножами в перпендикулярном направлении к их боковым поверхностям. Измельчённый продукт под воздействием на него ножей 2 и 3 поступает в полость швырялки 8 через окна, выполненные в диске 6 под ножами 3, и далее под воздействием швырялки 8 - в выгрузной бункер 7.

Вывод. Предлагаемый режущий аппарат измельчителя корнеплодов обладает улучшенными эксплуатационными свойствами, в частности он обеспечивает возможность получения корнеплодов, измельчённых на кусочки по форме параллелепипеда, причём установленной длины. Это имеет решающее значение для поедаемости и усвояемости кормов сельскохозяйственными животными и птицами.

Литература

1. Шуханов С.Н., Пешняев Н.П. Интенсификация рабочих органов рыхлителей // Вестник БГУ. Сер. 9. Физика и техника. 2003. Вып. 2. С. 161 - 164.

2. Шуханов С.Н. Стабилизация мелиоративного эффекта разрыхлённой почвы // Вестник БГУ. Сер. 9. Физика и техника. 2003. Вып. 2. С. 164 - 166.

3. Шуханов С.Н. Устройство порционного типа для метания зерна// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 6. С. 9 - 10.

4. Шуханов С.Н. Опытный измельчитель корнеклубнеплодов / С.Н. Шуханов, П.А. Болоев, В.Д. Коваливнич [и др.] // Вестник АПК Верхневолжья. 2014. № 2. С. 86 - 87.

5. Шуханов С.Н., Остроумов С.С., Кузьмин А.В. Исследование удара клубней о пальцы роторного сепаратора картофелеуборочного комбайна // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 5. С. 19 - 21.

6. Бутенко А.Ф., АсатурянА.В., Чепцов С.М. Экспериментальное определение параметров активного питателя ленточного метателя зерна// Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 1. С. 17 - 21.

7. Раднаев Д.Н.,Калашников С.С., Шуханов С.Н. Оптимизация технологического комплекса машин в растениеводстве // Аграрная наука. 2015. № 8. С. 28 - 30.

8. Шуханов С.Н., Коваливнич В.Д., Доржиев А.С. Обзор современных конструкций измельчителей корнеклубнеплодов как основа для создания более совершенных машин // Аграрная наука. 2016. № 1. С. 31 - 32.

9. Шуханов С.Н. Повышение эффективности машин для сухой очистки корнеплодов //Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2016. № 2. С. 13 - 14.

10. Шуханов С.Н. Совершенствование технических средств для дозирования торфа при выращивании горшечных культур // Агропромышленные технологии Центральной России. 2017. № 3 (5). С. 75 - 79.

Оптимизация процесса обработки зернового сырья на шнековом пресс-экструдере

B.Г. Короткое, д.т.н., профессор, В.П. Попов, к.т.н.,

C.Ю. Соловых, к.т.н., Е.В. Волошин, к.т.н.,

С.В. Антимонов, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ

Одним из перспективных методов подготовки кормов к скармливанию является экструзия. В процессе экструзионной обработки на перерабатываемый материал оказывается одновременное воздействие давлением и температурой, в результате чего изменяется структура клетчатки корма, происходит декстринизация крахмала до глюкозы, стерилизация

корма, инактивация ингибиторов пищеварительного тракта, улучшаются вкусовые качества [1].

Современная тенденция развития экструзион-ных технологий заключается в обеспечении максимального снижения энергоёмкости процессов экструзии при одновременном улучшении качества экструдата [2].

При производстве экструдированных кормовых продуктов качественные показатели готовой продукции, а также энергоёмкость процесса экструзии зависят как от свойств перерабатываемого материа-

ла, так и от конструктивно-режимных параметров экструдера [3].

Целью исследования являлось выявление оптимальных режимов и параметров процесса экс-трудирования зернового сырья, обеспечивающих снижение энергоёмкости и повышение качества готового кормового продукта.

Материал и методы исследования. Для определения оптимальных режимов и параметров процесса экструдирования кормовых продуктов были проведены экспериментальные исследования, при которых в качестве исходных факторов (управляющих параметров) использовали: отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру, частота вращения шнека и температура сырья на входе в экструдер [4].

В качестве параметров эффекта (управляемых и регулируемых параметров), взяты: комплексный показатель органолептических свойств экструдиро-ванного кормового продукта, комплексный показатель физико-химических свойств экструдированного кормового продукта; удельные затраты энергии на проведение процесса экструдирования [5].

К физико-химическим показателям для экструди-рованных кормовых продуктов относят влажность, крошимость и прочность. В органолептические показатели входят: внешний вид, цвет, аромат. Органолептические свойства экструдированного кормового продукта оценивались отобранной группой экспертов [6].

При проведении экспериментальных исследований в качестве исходного сырья использовали зерновую смесь, соответствующую требованиям ГОСТа 9268 - 2015 «Комбикорма-концентраты для крупного рогатого скота», в составе: пшеница - 10%, овёс - 19%, ячмень кормовой - 70%, соль поваренная - 1% [7].

Результаты исследования. Были изучены зависимости комплексного показателя органолепти-ческих и физико-химических свойств и удельных затрат энергии от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала. Графики зависимости комплексного показателя органолепти-ческих свойств кормового продукта от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала представлены на рисунках 1 и 2.

При анализе зависимости, представленной на рисунке 1, видно, что комплексный показатель органолептических свойств кормового продукта увеличивается при увеличении отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру до Ь / Б = 0,8, при дальнейшем увеличении значения Ь / Б от 0,8 до 1,2 комплексный показатель органолеп-тических свойств снижается. Наибольшее значение комплексный показатель органолептических свойств Корг = 705,6 балла достигает при частоте вращения шнека Ю2 = 120 об/мин, отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8 и при температуре сырья на входе в экструдер ? = 40°С.

При анализе зависимости, представленной на рисунке 2, видно, что при температуре сырья на входе в экструдер ¿1 = 20°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь /Б = 0,8 комплексный показатель органолептических свойств кормового продукта увеличивается при увеличении частоты вращения шнека от ю = 60 об/мин до ю = 150 об/мин, при дальнейшем увеличении значения ю от 150 об/мин до 180 об/мин комплексный показатель органолептических свойств снижается.

Анализ рисунка 2 показал, что при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8 наибольшее значение комплексный показатель органолептических свойств Корг = 728,6 балла достигает при частоте вращения шнека

L

и

о ¡1

* Ur-*—' -Л*

и —S ч- ч

г \ V-

/1 / 1

<Н, ОЬ/ г-'-ИИ

—комплексный показатель органолептических свойств

при ш = 60 об/мин » комплексный показатель органолептических свойств при ш = 120 об/мин

комплексный показатель органолептических свойств при ш = 180 об/мин

Рис. 1 - Зависимость органолептических свойств кормового продукта по результатам экспертной оценки от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру (0,4 < L / D < 1,2), при частоте вращения шнека Й1 = 60 об/мин, и = 120 об/мин, Из = 180 об/мин и температуре сырья на входе в экструдер t = 40°C

50 70 90 110 130 150 170 190

—.— комплексный показатель органолептических свойств при ( = 20°С

комплексный показатель органолептических свойств при ( = 40°С

комплексный показатель органолептических свойств при (= 60°С

Рис. 2 - Зависимость органолептических свойств кормового продукта по результатам экспертной оценки от частоты вращения шнека (60 < ю, об/мин < 180), при температуре сырья на входе в экструдер = 20°С, /2 = 40 °С, ¿3 = 60°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8

ю = 90 об/мин и температуре сырья на входе в экс-трудер Ь = 60°С.

Таким образом, анализ зависимости комплексного показателя органолептических свойств кормового продукта от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала показал, что наибольшее значение Крг=728,6 балла достигает при частоте вращения шнека ю=90 об/мин, температуре сырья на входе в экструдер t = 60°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8.

Графики зависимости комплексного показателя физико-химических свойств кормового продукта от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала представлены на рисунках 3 и 4.

При анализе зависимости, представленной на рисунке 3, видно, что комплексный показатель физико-химических свойств кормового продукта увеличивается при увеличении отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру до Ь / Б = 0,8, при дальнейшем увеличении значения Ь / Б от 0,8 до 1,2 комплексный показатель физико-химических свойств снижается.

Анализ рисунка 3 показал, что при температуре сырья на входе в экструдер t=40°С наибольшее значение комплексный показатель физико-химических свойств Кф.-х. = 97,8 балла достигает при частоте вращения шнека Ю2 = 120 об/мин и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь /Б = 0,8.

При анализе зависимости, представленной на рисунке 4, видно, что при температуре сырья на входе в экструдер tl = 20°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь /Б = 0,8 комплексный показатель физико-химических свойств кормового продукта увеличивается, при увеличении частоты вращения шнека от ю = 60 об/мин до ю = 145 об/мин, при дальнейшем увеличении значения ю от 145 об/мин до 180 об/мин комплексный показатель физико-химических свойств снижается.

Анализ рисунка 4 показал, что при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8 наибольшее значение комплексный показатель физико-химических свойств Кф.-х. = 98,7 балла достигает при частоте вращения шнека ю = 130 об/мин и температуре сырья на входе в экструдер t2 = 40°С.

Таким образом, анализ зависимости комплексного показателя физико-химических свойств кормового продукта от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала показал, что наибольшее значение Кф.-х. = 98,7 балла достигает при частоте вращения шнека ю = 130 об/мин, температуре сырья на входе в экструдер t = 40°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б=0,8.

Графики зависимости удельных затрат энергии от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала представлены на рисунках 5 и 6.

Анализ рисунка 5 показал, что при температуре сырья на входе в экструдер t = 40°С наименьшее значение удельных затрат энергии УЭЗ = 27,6 Вт/кг при частоте вращения шнека ю1 = 60 об/мин и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь /Б = 0,4.

При анализе зависимости, представленной на рисунке 6, видно, что при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь /Б = 0,8 и частоте вращения шнека ю1 = 60 об/мин, ю2 = 120 об/мин и ю3 = 180 об/мин с увеличением температуры сырья на входе в экструдер от t = 20°С до t=60°С удельные затраты энергии возрастают.

Анализ рисунка 6 показал, что при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8 наименьшее значение удельных затрат энергии УЭЗ = 26,7 Вт/кг при частоте вращения шнека ю1 = 60 об/мин и температуре сырья на входе в экструдер t = 20°С.

0,4 0,5 0,6 0.7 О.а 0,9 1 1,1

—комплексный показатель физико-химических свойств при w = 60 об/мин

комплексный показатель физико-химических свойств при w = 120 об/мин

комплексный показатель физико-химических свойств при w = 180 об/мин

Рис. 3 - Зависимость физико-химических свойств кормового продукта по результатам экспертной оценки от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру (0,4 < L / D < 1,2), при частоте вращения шнека Й1 = 60 об/мин, и = 120 об/мин, Из = 180 об/мин и температуре сырья на входе в экструдер t = 40°C

W, OS/wiMM

—-"•— комплексный показатель физико-химических свойств при t= 20°С

комплексный показатель физико-химических свойств при t= 40°С

комплексный показатель физико-химических свойств при (= 60°С

Рис. 4 - Зависимость физико-химических свойств кормового продукта по результатам экспертной оценки от частоты вращения шнека (60 < ю, об/мин < 180), при температуре сырья на входе в экструдер (1 = 20°С, /2 = 40 °С, ¿3 = 60°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь / Б = 0,8

Таким образом, анализ зависимости удельных затрат энергии от параметров технологического процесса и перерабатываемого материала показал, что наименьшее значение УЭЗ = 26,7 Вт/кг при частоте вращения шнека ю = 60 об/мин, температуре сырья на входе в экструдер t=20°С и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру L / D = 0,8.

На основании представленных результатов однофакторных экспериментов сделан вывод, что органолептические и физико-химические свойства кормового продукта и энергоёмкость процесса экструзии достигают наилучших показателей при весьма различных параметрах технологического процесса и перерабатываемого материала. В связи с чем возникает необходимость провести графоаналитическую оптимизацию процесса экструзии зернового сырья с целью определения области оптимальных значений для получения высококачественных кормовых продуктов при минимальных затратах энергии.

0,4 0,6 0,3 1 1,2

—удельные затраты энергии при ш = 60 об/мин удельные затраты энергии при ш = 120 об/мин _удельные затраты энергии при ш = 180 об/мин

Рис. 5 - Зависимость удельных затрат энергии от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру (0,4 < Ь / Б < 1,2), при частоте вращения шнека ю1 = 60 об/мин, ю2 = 120 об/мин, ю3 = 180 об/мин и температуре сырья на входе в экструдер / = 40°С

—.•— удельные затраты энергии при ш = 60 об/мин -ш- удельные затраты энергии при ш = 120 об/мин —..— удельные затраты энергии при ш = 180 об/мин

Рис. 6 - Зависимость удельных затрат энергии от температуры сырья на входе в экструдер (20 < t,°C < 60), при частоте вращения шнека œi = 60 об/мин, га = 120 об/мин, газ = 180 об/мин и отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру L / D = 0,8

Для проведения оптимизации был составлен и реализован трёхфакторный эксперимент ПЭФ 23, по результатам которого были получены уравнения регрессии зависимости комплексного показателя органолептических и физико-химических свойств экструдированного кормового продукта и удельных затрат энергии от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру, частоты вращения шнека и температуры сырья на входе в экструдер и построены плоскости отклика. Оптимизацию параметров процесса экструдирования проводили путём наложения горизонтальных проекций плоскостей отклика. В результате было установлено, что наиболее оптимальной является область, ограниченная линиями: комплексный показатель органолептических свойств кормового продукта - более 670 баллов, комплексный показатель физико-химических свойств кормового продукта - более 95 баллов и удельные затраты энергии < 28,5 Вт/кг. При этом отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру должно составлять от 0,77 до 0,81 м, частота вращения шнека - от 171 до 174 об/мин, при температуре сырья на входе в экструдер t = 20°С [8].

Выводы. Результаты исследования показали, что для снижения энергоёмкости процесса экструзии и повышения качества экструдированных кормовых продуктов оптимальными режимами экструдирова-ния для производства кормовых продуктов из зернового сырья являются: отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру 0,77 - 0,81, частота вращения шнека - 171 - 174 об/мин и температура сырья на входе в экструдер t = 20°С. Литература

1. Тимофеева Д.В. Оптимизация процесса преобразования агрегатного состояния зернового сырья при экструзионной обработке / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, В.П. Попов [и др.] // Хлебопродукты. 2013. № 8. С. 46 - 48.

2. Мартынова Д.В. Теоретическое обоснование энерго- и ресурсосберегающей конструкции шнекового пресс-экструдера для производства высококачественных кормовых продуктов / В.П. Попов, Д.В. Мартынова, С.В. Антимонов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 6 (68). С. 107 - 109.

3. Тимофеева Д.В. Исследование преобразования структурно-механических свойств и химического состава белково-крахмало-клетчатко-содержащего сырья в канале одношне-кового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, С.В. Кишкилев, В.П. Попов [и др.] // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: матер. Всерос. науч.-методич. конф. (с международн. участ.) / Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2015. С. 1007 - 1014.

4. Попов В.П. Технология получения экструдированных кормов с применением гречишной и подсолнечной лузги / В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013 г. № 4. С. 47 — 49.

5. Ханин В.П. Ресурсосберегающий процесс экструзионной обработки зернового сырья: дисс. ... канд. техн. наук. 05.20.01. Оренбург: ОГУ, 1999. 130 с.

6. Попов В.П. Получение оптимальных режимов при экстру-дировании белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья / В.П. Попов, Н.Н. Мартынов, Д.В. Мартынова [и др.] // Инновации и наукоёмкие технологии в образовании и экономике: матер. VI Междунар. науч.-практич. конф. Оренбург, 2017. С. 234-237.

7. Волошин Е.В. Совершенствование процесса измельчения зернового сырья при производстве комбикормов: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2002. 153 с.

8. Мартынова Д.В.Оптимизация процесса экструдирования белковоклетчатко-крахмалосодержащего сырья // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2016. № 3. С. 151-156.