Оптимизация конструктивных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2 на основе планирования эксперимента

Оптимизация конструктивных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2 на основе планирования эксперимента

И.Е. Припоров, к.т.н., Т.Н. Бачу, соискатель, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ

В настоящее время при производстве кормов используется экструдирование, позволяющее повысить их качество [1]. Процесс заключается в приготовлении кормов для сельскохозяйственных животных [2] и связан с переработкой продукта в экструдере путём размягчения или пластификации и придания кормам формы при продавливании через экструзионную головку. Сечение её фильер соответствует конфигурации изделия [3]. Применение таких кормов способствует повышению пере-вариваемости и питательной ценности продукции и сбалансированному питанию животных, снижению затрат на подготовку их к скармливанию, транспортированию и хранению, а также улучшению процесса раздачи и дозирования [2].

Наибольший практический и научный интерес представляет тепловой способ подготовки высококонцентрированных кормов к скармливанию [3].

Для экструдирования зерна используют выпускаемые промышленностью пресс-экструдеры ПЭК-125 х 8-75, серии КМЗ-2 разных модификаций. Шнек их должен быть с переменным уменьшающимся шагом по мере передвижения вдоль его оси обрабатываемого кормового материала (ОКМ) [4—6].

Преимуществами пресс-экструдеров являются простота использования, отсутствие возвратно-поступательных (инерционных) сил и связанных с этим снижением металлоёмкости, отсутствие холостого хода, широкий спектр изменения физико-механических свойств перерабатываемых материалов и степенью воздействия на них. Основной недостаток пресс-экструдеров — это высокая энергоёмкость, в снижении которой заключается важная народнохозяйственная задача [7].

Цель исследования — оптимизация конструктивных параметров шнека переменного шага с учётом его конструктивных особенностей и физико-механических свойств семян подсолнечника путём применения планирования эксперимента с целью снижения энергоёмкости пресс-экструдера.

Материал и методы исследования. Процедура проведения многофакторного эксперимента сводится к следующему [8]. Перед началом эксперимента факторы кодировали, осуществляя линейное преобразование факторного пространства с переносом начала координат в центр эксперимента и введением новых единиц измерения е по осям.

Кодирование факторов производилось по формуле:

^ = ^^,

е

где х 1 - кодированное значение фактора, верхний уровень обозначался +1, а нижний — -1 (в центре эксперимента нулевой уровень); X — натуральное значение фактора (именованная величина в размерности фактора); Х01 - натуральное значение фактора на нулевом уровне;

е — натуральное значение интервала варьирования фактора.

Натуральное значение интервала варьирования фактора определяли по известной формуле:

Хв - Хн

е = -

где Хв, Хн - значения фактора на верхнем и нижнем уровнях.

С учётом проведённого обзора литературных источников, теоретических исследований и другой научно-технической информации были выбраны факторы, интервалы и уровни их варьирования для расчёта плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде, полученного после обработки семян на пресс-экструдере КМЗ-2 (табл. 1).

В литературных источниках приводят общее значение плотности подсолнечного жмыха. Отсутствует значение её величины, как в рассыпном, так и гранулированном видах.

Данная работа направлена на устранение пробела в рассматриваемом вопросе.

Для проведения планирования эксперимента была разработана программа, позволяющая рассчитать коэффициенты регрессии полученной математической модели.

После расчёта коэффициентов регрессии проверяли адекватность результатов полученной математической модели факторов [9].

Результаты исследования. После обработки результатов эксперимента было получено уравнение регрессии, описывающее плотность подсолнечного жмыха в рассыпном виде, полученного после обработки семян на пресс-экструдере КМЗ-2:

У3 = 3279,8- 897,06х1 + 200,5х2 + + 109,1 х3+ 32,2 х^+5,2 х^х3-- 6,3 х2х3 + 47,8 х2-26,8 х22- 4,8 х2. где У, - значение плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде, полученного после обработки семян на пресс-экструдере КМЗ-2, г/м3.

Анализ данного уравнения показывает, что наибольшее влияние на плотность подсолнечного жмыха в рассыпном виде при обработке семян в пресс-экструдере КМЗ-2 оказывает угол конусности шнека, шаг витка шнека 2-й навивки и 1-й навивки, в том числе парное взаимодействие между углом конусности и шаг витка шнека 2-й навивки.

Результаты проверки адекватности полученной математической модели представлены в таблице 2.

При 5-процентном уровне значимости табличное значение критерия Фишера составило 9,55. Так как значение F-критерия, полученное по расчётам, не превышает табличного для выбранного уровня значимости, значит, данная математическая модель адекватна.

Для нахождения максимума функции отклика приравниваем к нулю её частные производные и решаем полученную систему уравнений [9].

Решение системы уравнений даёт следующие координаты точки максимума (кодированные значения): х1 = -0,369; х2= -0,265; х3= -0,345.

Подставив полученные результаты в данное уравнение, определим максимальное значение плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде, полученного из семян после обработки на пресс-экструдере КМЗ-2, которое составляет У, = 1533,6 г/м3.

В результате обработки полнофакторного эксперимента для плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде получено уравнение регрессии (3) в канонической форме для угла конусности (град) шнека и шаг витка (мм) шнека 2-й навивки (рис. 1):

У -1533,6 = 47,8X2 -121,6X22,

или

(X1)2

(X2 )2

У -1533,6 У -1533,6

= 1.

47,8 -121,6 Поверхность отклика представляет собой параболоид (рис. 1), а его центр - экстремум (максимум), так как канонические коэффициенты имеют разные знаки.

В результате обработки полнофакторного эксперимента для плотности подсолнечного жмыха в

1. Исходные данные для планирования эксперимента

Фактор Кодированное обозначение Интервал варьирования Уровни факторов

-1 0 +1

Угол конусности шнека, град. х1 1 6 7 8

Шаг витка шнека 2-й навивки, мм х2 2 5 7 9

Шаг витка шнека 1-й навивки, мм Х3 4 8 12 16

2

2. Результаты проверки адекватности математической модели

Показатель Значение показателя

Дисперсия неадекватности, Дисперсия ошибки опыта, Критерий Фишера: расчётное табличное 80202 9548 8,4 9,55

рассыпном виде получено уравнение регрессии (4) в канонической форме для угла конусности (град.) и шага витка (мм) шнека 1-й навивки (рис. 2):

У -1533,6 = 47,8X? - 62,7X32,

или

(X?)2

- + -

(X з)2

У -1533,6 У -1533,6

= 1.

47,8

- 62,7

Рис. 1 - Поверхность зависимости плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде от угла конусности и шага витка шнека 2-й навивки

Рис. 2 - Поверхность зависимости плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде от угла конусности и шага витка шнека 1-й навивки

Рис. 3 - Поверхность зависимости плотности подсолнечного жмыха в рассыпном виде от шага витка шнека 2-й навивки и шага витка шнека 1-й навивки

Поверхность отклика представляет собой параболоид (рис. 2), а её центр — экстремум (максимум), так как канонические коэффициенты имеют разные знаки.

В результате обработки полнофакторного эксперимента по плотности подсолнечного жмыха получено уравнение регрессии (5) в канонической форме для шага витка (мм) шнека 2-й навивки и шага витка (мм) шнека 1-й навивки (рис. 3):

7-1533,6 =-121,6Хт -62,7Х32, (5) или т т

, та- =1

7-1533,6 7-1533,6 ' -121,6 -62,7 Поверхность отклика представляет собой эллипсоид (рис. 3), а её центр — экстремум (максимум), так как канонические коэффициенты имеют одинаковые знаки.

Вывод. В результате проведённого исследования были определены оптимальные конструктивные параметры шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2, которые составили следующие значения: угол конусности составил 7°, шаг витка шнека 2-й навивки — 7 мм, шаг витка шнека 1-й навивки

пресс-экструдера — 12 мм. При данных параметрах критерий оптимизации (плотность подсолнечного жмыха в рассыпном виде) составил 1533,6 г/м3.

Литература

1. Орсик O.JI. О влиянии конусности направителя на продвижение смеси в пресс-экструдере // Нива Поволжья. 2014. № 3 (32). С, 73-78.

2. Денисов C.B. Повышение эффективности кормосмеси на основе стебельчатого корма и обоснование параметров пресс-экструдера: автореф. дисс.... канд. техн. наук. Саратов, 2006. С. 3.

3. Зубкова Т.М. Повышение эффективности работы одно-шнекового экструдера для производства кормов на основе параметрического синтеза: автореф. дисс.... докт. техн. наук. Оренбург, 2006. 39 с.

4. Фролов В.Ю. Теоретические и экспериментальные аспекты разработки технологий и технических средств, приготовления коцентрированных кормов на основе соевого белка. Краснодар: КубГАУ, 2010. 140 с.

5. Припоров И.Е. Обоснованиеращ-гональныхконструктивных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 12. С. 27—30.

6. Припоров И.Е. Обоснование винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С, 67-70.

7. Курманов А. К. Совершенствование винтового пресс-экструдера // Вестник торгово-технологического института. 2011. № 5 (5). С. 39-41.

8. Мельников C.B., Алешкин В. Р., Рощин П. M. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.

9. Юдин М.И. Планирование эксперимента и обработка его результатов. Краснодар: КубГАУ, 2004. 239 с.