Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки

Влияние влажности рыбно-отрубевых смесей и площади фильеры экструдера на его производительность при разной конусности шнека зоны загрузки

В.В. Новиков, к.т.н., профессор, И.Л. Орсик, аспирант, А.С. Грецов, к.т.н, ФГБОУ ВО Самарская ГСХА; В.В. Коновалов, д.т.н. профессор, ФГБОУ ВО Пензенский ГТУ

Обеспечение животных сбалансированными и качественными кормами является залогом экономической эффективности их производства [1—4]. Для интенсивного роста продукции животноводства требуются концентрированные корма, в т.ч. комбикорма, для производства которых необходимы белковые корма [5, 6]. Основным белковым кормом животного происхождения является рыбная мука. Нехватку этого компонента комбикормов можно частично компенсировать путём использования просроченной рыбы и отходов рыбного производства. Однако данные продукты требуют термического обеззараживания и снижения влажности для повышения сроков сохранности. Приготовление экструдата из смеси отходов рыбного производства и отрубей (дерти) позволит приготовить обеззараженный корм с влажностью менее 30%.

В случае производства кормов на ферме создаётся возможность обеспечения животных качественными и сбалансированными концентрированными кормосмесями [7, 8]. При этом используемое оборудование должно обеспечивать наибольшую производительность. Основу возможного повышения производительности экструдера составляет повышение влажности продукта и снижение трения материала о поверхность пресса, что уменьшает величину потребляемой мощности установленного штатного электродвигателя экструдера. Рост производительности экструдера способствует и снижению энергоёмкости процесса приготовления кормосмеси [1, 3].

Цель исследования — повышение производительности пресс-экструдера КМЗ-2У за счёт модернизации зоны загрузки с помощью использования шнека с коническим валом.

Основная задача исследования заключалась в установлении функциональной зависимости между конструктивными и технологическими параметрами конического шнека и производительностью пресса.

Материал и методы исследования. Конструктивно-технологическая схема модернизированного пресс-экструдера КМЗ-2У представлена на рисунке 1 [7, 8]. Пресс-экструдер состоит из привода и рамы, на которой установлен пресс, состоящий из кожуха 2, вращающегося вала 3 с установленными на нём несколькими секциями шнека 4. Между секциями шнека 4 установлены изнашиваемые

кольца 5 с греющими шайбами 6. На выходе из экструдера расположена коническая головка 7 с кожухом 8. Закрывает выход из внутреннего пространства матрица. Снаружи неё размещён регулировочный диск 9 с рукояткой. Внутри матрицы и регулировочного диска оборудованы бобообразные (иногда кольцевые) отверстия (фильеры). Подачу материала в пресс обеспечивает разработанный шнековый дозатор-питатель 10, подающий обрабатываемую массу в зону загрузки экструдера к модернизированному конусному шнеку 1.

Работает экструдер следующим образом. При подаче шнеком дозатора-питателя 10 исходной смеси она поступает из него сверху в приёмную камеру питателя экструдера с установленным в ней конусным шнеком 1.

Масса захватывается конусным шнеком 1 и подаётся к шнеку экструдера 4. При этом материал поджимается, выдавливается воздух между частицами материала. Уже в зоне прессования материал сжимается до необходимого давления, повышая свою температуру за счёт сжатия и трения о стенки внутреннего канала пресса.

В процессе перемещения материала между шнеком 4 и кожухом экструдера 2, между кожухом и краями витков шнека происходит дополнительное перемещение материала из одного межвиткового пространства в другое. Это способствует его дополнительному нагреву и разрушению крупных частиц. Избыточное давление приводит к снижению вязкости и повышению подвижности материала, что способствует быстрому выходу обработанного материала из зоны прессования [9].

Наличие кольцевых зазоров между греющими шайбами и изнашиваемыми кольцами снижает давление в канале на основе действия уравнения Бернулли. За счёт этого в следующей секции экс-трудера появляется возможность дополнительного механического разрушения материала и повышения усвояемости корма. Полученный в результате термомеханической обработки материал продавливается сквозь фильеры (отверстия) матрицы и регулировочного диска. Резкий перепад давления к атмосферному способствует закипанию влаги и дополнительному разрыву внутренних связей, что повышает питательность корма.

Количественным показателем технологического процесса является производительность экструдера в штатном режиме работы на исследуемом материале. В данном случае экструдируются смеси рыбных отходов и отрубей. В проведённых лабораторных исследованиях использовалось три смеси с раз-

9 8 7 4 6 5 2 \ / 10

отрубями:

1 - конусный шнек; 2 - кожух пресса; 3 - вал шнекового пресса; 4 - шнек пресса; 5 - греющая шайба; 6 -изнашиваемое компрессионное кольцо; 7 - коническая головка; 8 - корпус головки; 9 - матрица с регулировочным диском и рукояткой; 10 - шнековый дозатор-питатель; -<-----движение перерабатываемого материала

а)

б)

в)

Рис. 2 - Набор экспериментальных конусных шнеков-питателей пресс-экструдера: а) - угла конуса Р - 10°; б) - угла конуса Р - 20°; в) - угла конуса Р - 30°

личным соотношением в них рыбных отходов и отрубей и соответственно различной влажности W, %. Величина открытия фильеры (площадь окна Бф, мм2) регулировалась положением рычага заслонки у фильеры. При этом был установлен один из конусных шнеков (рис. 2) c углом конусности вала Р, град. [10].

Длительность забора выгружаемой массы после начала установившегося режима работы экструде-ра составляла 30 сек. Взвешивание выгруженной массы производили с точностью до 5 г. Производительность определяли делением собранной массы материала на длительность её сбора. Повторность трёхкратная [8].

Для получения статистической регрессионной модели производительности экструдера реализован полный факторный эксперимент 23. Уровни варьирования независимых факторов и полученные средние значения производительности 0 экструдера по трём повторностям замеров указаны в таблице.

Там же приведена матрица планирования эксперимента (в натуральном и кодированном виде) и полученные в ходе реализации опытов данные [7].

Дальнейшую обработку полученных данных и проверку на адекватность модели проводили по общепринятой методике [10].

Результаты исследования. В результате обработки представленных в таблице данных было получено уравнение регрессии производительности экструдера указанного типа в кодированном виде, адекватно описывающие процесс при экс-трудировании смесей рыбных отходов и отрубей:

0 = 448,25 - 2,3X + 36,37 + 3,77 - 5,106 X2 -0,90672 - 5,70672 - 0,7577 + 0,25Х7г,

где X =

в-20 .

; 7

Бф - 750

; г =

Ж - 22,5

10 650 7,5

Наиболее значим линейный фактор площади фильеры, меньше влияние влажности (с её ростом

Результаты эксперимента по исследованию производительности пресса

Х0 р / * / Х2 Ш / Х3 Х х2 Х3 ХЛ Х1Х3 Х2Х3 Х1Х2Х3 Q, кг/ч

1 10/-1 100/-1 15/-1 1 1 1 1 1 -1 378

1 30/1 100/1 15/-1 1 1 1 -1 1 -1 362

1 10/-1 1400/1 15/-1 1 1 -1 1 -1 1 488

1 30/1 1400/1 15/-1 1 1 1 -1 -1 -1 481

1 10/-1 100/-1 30/1 1 1 1 -1 -1 1 385

1 30/1 100/-1 30/1 1 1 -1 1 -1 -1 382

1 10/-1 1400/1 30/1 1 1 -1 -1 1 1 495

1 30/1 1400/1 30/1 1 1 1 1 1 1 490

1 10/-1 750/0 20/0 1 0 0 0 0 0 0 519

1 30/1 750/0 20/0 1 0 0 0 0 0 0 428

1 20/0 100/-1 20/0 0 1 0 0 0 0 0 380

1 20/0 1400/1 20/0 0 1 0 0 0 0 0 495

1 20/0 750/0 15/-1 0 0 1 0 0 0 0 421

1 20/0 750/0 30/1 0 0 1 0 0 0 0 443

1 20/0 750/0 20/0 0 0 0 0 0 0 0 432

Рис. 3 - Производительность пресс-экструдера в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности смеси W, при фиксированных значениях угла конуса Р: 1 - р = 10°; 2 - Р = 20°; 3 - Р = 30°

Площадь выходного сечения фильеры мм2

Рис. 4 - Производительность пресс-экструдера (кг/ч) в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности Wпри фиксированном значении угла конуса Р = 10°

ЗОтг

4 10 4 1 4- 1 1 50

1 №. (20 ВН г 40 Я 60 4 1 480 70 \

40 \ \ 470

7.50

ТШ

Рис. 5 - Производительность пресс-экструдера (кг/ч) в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности смеси W, при фиксированном значении угла конуса Р = 20°

Рис. 6 - Производительность пресс-экструдера в зависимости от площади выходного сечения фильеры Бф и влажности W, при фиксированном значении угла конуса р = 30°

увеличивается подача) и имеется небольшое влияние угла конусности вала шнека.

После подстановки уравнений (2) в (1) получим уравнение регрессии для производительности экструдера в зависимости от выбранных независимых параметров в раскодированном виде [8]: 0 = 322,56 +1,899р + 0,0655ф +

+5,25Ж - 0,051р2 - 0,00000215ф --0,051Ж2 - 0,00012р5ф - 0,0038р Ж -

-0,000265фЖ + 0,0000051р5фЖ, (3) где Р — угол конуса, град.;

Sф — площадь выходного сечения фильеры, мм2;

Ж — влажность, %.

Для проведения графического анализа полученной регрессионной модели (3) зафиксируем угол конусности вала шнека на одном из его экспериментальных значений [10].

В результате, фиксируя угол конусности вала шнека на трёх выбранных уровнях, получим три уравнения регрессии [7]:

0р=10 = 336,44 + 0,0645, + 5,212Ж -^ ф

-0,00000215"1 - 0,101Ж2;

gß=2o = 340,11 + 0,0635ф + 5,174W -

-0,00000215^ - 0,101W2; Q13=30 = 333,57 + 0,0615ф + 5,135W --0,000002151 - 0,101W2.

Для визуального представления полученных уравнений, представляющих собой криволинейные поверхности, в координатах [¿ф; Ж] построим уравнения (4), (5) и (6) (рис. 3).

Рассматривая каждую поверхность в отдельности в сечении плоскостями с шагом в 10 кг/ч, получим графики, изображённые на рисунках 4—6.

Из графического анализа полученных данных видно, что характер изменения всех поверхностей одинаков. Однако при угле конусности вала шнека Р =10° наблюдается максимум производительности О и 480 кг/ч; при Р = 20° наблюдается максимум производительности О>480 кг/ч; при Р = 30° — максимум О <480 кг/ч.

Вывод. Наибольшую производительность обеспечивает шнек с углом конусности вала шнека ß = 20° при влажности смеси 20—25%. В зависимости от площади фильеры (100—1400 мм2) производительность экструдера может изменяться в интервале 412—483 кг/ч. Изменение влажности с выходом из указанного её интервала уменьшает производительность устройства.

Литература

1. Коновалов В.В. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса / В.В. Коновалов, В.В. Новиков, Д.В. Беляев, Л.В. Иноземцева // Нива Поволжья. 2010. № 2. С. 51-56.

2. Коновалов В.В., Орсик И.Л., Успенская И.В. Оптимизация конструктивно-технологических параметров направителя пресс-экструдера по неравномерности давления в зоне загрузки // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 2 (30).

3. Новиков В.В. Результаты экспериментальных исследований модернизированного экструдера зерна КМЗ-2,0У / В.В. Новиков, В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева, Д.В. Беляев // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2010. № 3. С. 70-76.

4. Полищук В.Ю., Ханин В.П., Зубкова Т.М. Экспериментальное исследование поведения прессуемого материала в одношнековом прессующем механизме экструдера // Совершенствование технологических процессов пищевой промышленности и АПК: тезисы доклад. Росс. науч.-технич. конф. Оренбург, 1996. 116 с.

5. Орсик И.Л. Повышение питательности экструзионной переработки отрубей // Научно-методический журнал XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. 06 (22). Пенза: ПензГТУ, 2014. С. 82-85.

6. Зубкова Т.М., Корякина М.А. Математическое моделирование процесса экструдирования с оттоком жидкой фазы // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: матер. VIII всерос. науч.-практич. конф. (с междунар. участием). Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. С. 95-96.

7. Пат. № 131948 Российская Федерация, МПК7 А23К1/00, B02C13/00. Экструдер для приготовления кормовой массы /

B.В. Новиков, В.В. Коновалов, И.Л. Орсик, А.Л. Мишанин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. № 2013112063/13; заявл. 18.03.13; опубл. 10.09.13. Бюл. № 25. 5 с.: ил.

8. Орсик И.Л., Грецов А.С. Результаты экспериментальных исследований экструдирования смеси рыбных отходов и отрубей // Перспективы инновационного развития АПК: матер. междунар. науч.-практич. конф. в рамках XXIV Международной специализированной выставки АгроКомплекс-2014. Часть II. Уфа : Башкирский ГАУ, 2014. С. 109-114.

9. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.: ил.

10. Орсик И.Л. Обоснование рационального состава смеси рыбных отходов с отрубями для экструзионной переработки // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сб. матер. Всерос. науч.-практич. конф. Том 2. Пенза: РИО ПГСХА, 2014.

C. 211-213.

Динамические характеристики стебля подсолнечника

А.С. Старцев, к.т.н., ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ

Техническими условиями на уборку подсолнечника зерноуборочными комбайнами предусмотрено, что потери семян за жаткой при уборке не должны превышать 2,5% от фактической урожайности [1]. Однако не все жатки и приспособления

для уборки подсолнечника обеспечивают данное условие. Это можно объяснить многими факторами, среди которых — использование жаток, не предназначенных для уборки подсолнечника, несовершенство конструкции приспособлений, не учитывающих частные особенности уборки, недостаточно точная регулировка элементов жатки или адаптера.