Теоретическое обоснование энерго- и ресурсосберегающей конструкции шнекового пресс-экструдера для производства высококачественных кормовых продуктов

Теоретическое обоснование энерго- и ресурсосберегающей конструкции шнекового пресс-экструдера для производства высококачественных кормовых продуктов

B.П.Попов, к.т.н., Д.В.Мартынова, преподаватель,

C.В. Антимонов, к.т.н., Н.Н. Мартынов, соискатель, Л.В. Межуева, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ; В.А. Шахов, д.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Одним из наиболее эффективных методов подготовки зерновых кормов к скармливанию является экструзионная обработка. В результате экструзии наблюдается улучшение как технологических, так и логистико-экологических свойств кормов: стерильность корма (гибель молодняка снижается в 1,5 — 2 раза), улучшение вкусовых свойств (поедаемость корма увеличивается на 100%), высокая усвояемость (корма требуется меньше на 25%), удобство в погрузке, транспортировке и раздаче кормов (снижение концентрации пыли на 75%, возможность механизации при раздаче кормов), долгое хранение (экструдат хранится в течение 6 мес., позволяет избежать плесневения корма и образования в нём мико-токсинов) [1].

Однако пресс-экструдеры по-прежнему остаются одними из энергоёмких аппаратов для обработки кормовых продуктов. При этом на современном этапе развития у таких аппаратов нет эффективной системы контроля качества вырабатываемой продукции [2].

На основании проведённого анализа существующих конструкций шнековых пресс-экструдеров, а также анализа химических и структурно-механических преобразований в экструдируемом материале был сделан вывод о необходимости разработки энерго- и ресурсосберегающей конструкции пресс-экструдера для производства высококачественных кормовых продуктов [3—6].

Цель исследования — теоретически обосновать совершенствование конструктивных параметров шнекового пресс-экструдера для обеспечения

снижения энергоёмкости процесса экструдиро-вания и повышения качества готового кормового продукта.

Материал и методы исследования. За основу была принята конструкция стандартно работающего, выпускаемого серийно ОАО «Орстан» с 1995 по 2010 г. пресс-экструдера для переработки растительного сырья ПЭШ-60/4. Как и у всех пресс-экструдеров, шнековая камера ПЭШ-60/4 условно делится на три зоны: 1-я — зона загрузки; 2-я — зона плавления; 3-я — дозирующая зона (рис. 1). Это разделение обусловлено тем, что на разных участках шнека происходят весьма различные преобразования в перерабатываемом материале. Однако эти зоны не являются разграниченными элементами, так как представляют единый путь для движущегося материала от загрузочного устройства до выхода из формующего отверстия [7].

Для данной конструкции пресс-экструдера рабочая длина шнека составляет Н = 0,65 м, наружный диаметр винтовой линии Бё = 0,059 м, диаметр вала шнека Бх = 0,04 м. Применяются

6 \ /А Ж т*"к\

Г) /\ !Л А Л ! / \

kJ \Vi \/\ v \ У V J

Зона загрузки V Ч^ \ т VL Зона плавления ш Зона дозирования

Рис. 1 - Шнековая камера пресс-экструдера:

1 — загрузочное устройство;

2 — фланцевые соединения;

3 — формующая головка;

4 — корпус пресса; 5 — шнек;

6 — привод прессующего шнека

шнеки с шагом Ж = 0,024^0,072 м в зависимости от вида перерабатываемого материала, т.е. отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру Ь/Б = 0,4^1,2. Шнековая камера имеет внутренний диаметр Б1к = 0,06 м. Шнек имеет прессующую головку и сменный комплект матриц в зависимости от вида производимой продукции. Частота вращения шнека может меняться в пределах от 60 до 180 об/мин. [7, 8].

Недостатками такой конструкции экструдера являются: большая энергоёмкость процесса, недостаточная однородность и невысокое качество готовых изделий, из-за отсутствия возможности оперативного контроля качества, а также регулирования угла наклона витков шнека по отношению к осевой линии в зоне загрузки. Следовательно, отсутствует и возможность регулирования скорости подачи материала в зону плавления в зависимости от вида перерабатываемого материала, что приводит к недостаточному или, наоборот, избыточному уплотнению материала в зоне загрузки [1].

В. Г. Коротков, В. П. Попов, В. П. Ханин, М. Ю. Шрейдер и др. предпринимали попытки определения свойств перерабатываемых материалов непосредственно в процессе работы (патент РФ № 2338442). Было выявлено, что обеспечение определённого крутящего момента, измеряемого по степени закручивания головки матрицы, позволяет стабильно получать высококачественную продукцию [9].

К. Раувендааль выделил два состояния, в которых находится перерабатываемый материал в шнековой камере: сыпучее и вязко-пластичное. В начале движения в шнековой камере сыпучий материал проходит зону загрузки, к концу которой он заполняет весь объём межвинтового канала [10]. В предварительных экспериментах было выявлено, что для экструдеров с внутренним диаметром шнековой камеры Б1к = 0,06 м концом зоны загрузки следует считать расстояние от загрузочного устройства хх = 0,08 м.

Также предварительные эксперименты показали, что для снижения энергоёмкости процесса экструзии и повышения качества готового продукта преобразование сыпучего материала в вязко-пластичный целесообразно завершить в первой половине рабочей камеры экструдера, т.е. для рабочей длины шнека Н= 0,65 м данные преобразования целесообразно завершить на расстоянии ъг = 0,3 м от загрузочного устройства [11].

Результаты исследования. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что устройства для измерения крутящих моментов, определяющие физико-механические параметры перерабатываемого материала, следует устанавливать в конце зоны загрузки, а также в месте перехода материала из сыпучего состояния в вязко-пластичное и в конце шнековой камеры, т.е. для пресс-экструдера с внутренним диаметром шнековой камеры Б1к = 0,06 м и рабочей длиной шнека Нрм1= 0,65 м — установить на расстоянии хх = 0,08 м, ъ2 = 0,3 м и ъ2 = 0,6 м от загрузочного устройства, что обеспечит возможность оперативного контроля качества.

Так как основные преобразования в перерабатываемом материале происходят в зоне плавления (т.е. переход материала из сыпучего состояния в вязко-пластичный), то выполнять шнек с изменяющимся непосредственно в процессе работы углом наклона витков в зоне дозирования не является целесообразным. Также в связи с высоким давлением в зоне дозирования в настоящее время это не представляется технически возможным. Поэтому было принято решение разработать конструкцию шнека с изменяющимися шагом и углом наклона винтовой линии непосредственно в процессе работы в зоне загрузки и плавления.

В предлагаемой конструкции витки шнека в зоне загрузки и плавления выполнены с возможностью осевого перемещения за счёт вращения приводным механизмом резьбового вала (рис. 2), находящегося в теле шнека, на котором расположены втулки с установленными пальцами, соединенными

а) б)

Рис. 2 - Изменение угла наклона и шага витков шнека пресс-экструдера: а) исходный угол наклона и шаг витков шнека, б) изменённый угол наклона и шаг витков шнека: 1 — загрузочное устройство; 2 — втулка с установленным пальцем; 3 — шнековая камера; 4 — витки шнека; 5 — шнек; 6 — резьбовой вал в теле шнека

с витками шнека, и совершающими движение по направляющим, выполненным также в теле шнека. При этом резьбовой вал в теле шнека (при внутреннем диаметре шнека Бх = 0,04 м и условии соблюдения равновесия между нагрузками на шнек и резьбовой вал) должен иметь резьбу М = 20*15, что соответствует изменению шага винтовой линии на 1,5 мм за один оборот резьбового вала.

Изменение угла наклона винтовой линии шнека при этом рассчитывается по формулам:

• Кх/2

Ф™ = arcsin-^—

где физм — измененный угол наклона винтовои линии шнека;

Жисх— исходный шаг винтовой линии шнека, м; Бн — расстояние между крайними точками наклонной поверхности витка шнека, м;

Ж

DH =

2 ssin Ф

где фисх — исходный угол наклона винтовой линии шнека;

W1И1I = Wиa +1,5-4,6,

где ^изм — измененный шаг винтовой линии шнека, м;

Чо6 — число оборотов резьбового вала, расположенного в теле шнека.

Выводы. На основе теоретического обоснования совершенствования конструктивных параметров шнекового пресс-экструдера было выявлено, что является целесообразным:

— выполнить шнек с изменяющимися непосредственно в процессе работы шагом и углом наклона витков в зоне загрузки и плавления для обеспечения снижения энергоемкости процесса экструзии и повышения качества готового кормового продукта;

— установить устройства для измерения крутящих моментов на расстоянии 0,08 м, 0,3 м и 0,6 м от загрузочного устройства (при рабочей

длине шнека H= 0,65 м и внутреннем диаметре шнековой камеры Б1к = 0,06 м) для обеспечения оперативного контроля качества.

Для оперативного управления разработанной конструкцией пресс-экструдера получены зависимости изменения угла наклона и шага витков шнека от числа оборотов резьбового вала, расположенного в теле шнека (уравнения 1 — 3).

Литература

1. Попов В.П. Технология получения экструдированных кормов с применением гречишной и подсолнечной лузги /

B.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых,

C.В. Кишкилев // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013 г. № 4.С. 47 - 49.

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

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

4. Тимофеева, Д.В. Оптимизация изменения агрегатного состояния сырья в процессе экструзии / Д.В. Тимофеева,

A.Г. Зинюхина, В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов // Вестник Оренбургского государственного университета.

2013. № 3. С. 225 — 229.

5. Мартынова Д.В. Разработка математической модели экструзии зернового белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на шнековом пресс-экструдере / Д.В. Мартынова,

B.П. Попов, В.А. Шахов, С.В. Кишкилёв // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1(63). С. 64 — 67.

6. Пат. на полезную модель №51900 РФ. Лабораторная установка для исследований процесса дробления кормов / М.И. Филатов, В.А. Шахов, М.И. Бабьева, А.А. Петров. Опуьл. 10.03.2000 г.

7. Мартынова Д.В. Модернизация шнекового пресс-экструдера / Д.В. Мартынова, В.П. Попов, А.Г. Зинюхина, Н.Н. Мартынов, В.П. Ханин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2016. № 4. — С. 104 — 108.

8. Мартынова (Тимофеева), Д.В. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера / Д.В. Мартынова (Тимофеева), В.П. Попов, С.В. Антимонов, А.Г. Зинюхина // Вестник Оренбургского государственного университета.

2014. № 9 (170). С. 220 — 225.

9. Коротков В.Г. Совершенствование технологии получения экструдированных кормов и добавок на основе смесей с высоким содержанием грубого растительного сырья /

B.Г. Коротков, С.В. Кишкилев, С.Ю. Соловых, В.П. Попов,

C.В. Антимонов // Материалы VI Всерос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных с между-нар. участ. / Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет». Бийск, 2013. С. 362 — 366.

10. Раувендааль К. Экструзия полимеров / пер. с англ. А.Я. Мал-кина. 4-е изд. СПб.: Профессия, 2008. 768 с.

11. Соколов А.Я. Основы расчёта и конструирования машин и автоматов пищевых производств. М.: Машиностроение, 1969. 637 с.