Оптимизация режима работы малогабаритного шестерённого гранулятора

УДК 631.363

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОГО ШЕСТЕРЕННОГО ГРАНУЛЯТОРА

© 2016 г. В.В. Скидело, И.Н. Краснов

Животноводство и растениеводство являются основой для производства качественных продуктов питания. Для развития отрасли животноводства требуется создание прочной кормовой базы. Корма - исходное сырье для обеспечения животных энергией и питательными веществами. Правильное и полноценное кормление - первейшее условие развития высокопродуктивного животноводства. От организации кормовой базы зависит состояние и экономика животноводства. При создании прочной кормовой базы для развития животноводства и птицеводства наряду с расширением посевов кормовых культур и ростом их урожайности важно также повышать производство комбикормов. Увеличение производства комбикормов - важнейшая задача комбикормовой промышленности, но россыпной комбикорм имеет и ряд недостатков, таких как гигроскопичность, малая объемная масса, склонность к расслоению при перемещении, отрицательно влияющих на его качество. Самый эффективный способ устранения этих недостатков - гранулирование. В связи с этим комбикормовые предприятия оснащены специальным оборудованием для гранулирования кормов. Увеличение производства гранулированных кормов требует совершенствования применяемых технологий, машин и оборудования в направлении уменьшения энергоемкости машин и повышения качества получаемых кормов. В нашей стране для гранулирования кормов применяют различные пресс -грануляторы, имеющие различную производительность и мощность привода. Однако существует необходимость разработки нового оборудования для гранулирования комбикормов. Связано это с тем, что на серийных установках производится гранулирование весьма большого ассортимента материалов, а большая часть существующих прессов не имеет механизма регулировки канала прессования, из-за чего уровень энергоемкости у них завышен, также они имеют высокую материалоемкость и, следовательно, большие габариты и массу. Малогабаритное оборудование для ферм малых хозяйств на рынке в дефиците. Из прессов выдавливающего типа наиболее подходящие для небольших хозяйств грануляторы с матрицами, сочетающими функции гранулирования материала и передачи вращательного момента.

Ключевые слова: производительность, гранулятор, комбикорм, кормовая смесь, процесс, энергия, эксперимент, режим работы.

Animal husbandry and crop production are the basis for producing quality food products. For the development animal husbandry sector requires the creation of a strong fodder base. Forage is feedstock to provide animal with energy and nutrients. Correct and complete feeding is the first condition for the development of highly productive animal husbandry. On fodder base organization the state and the economy of animal husbandry depends. When creating strong fodder base for livestock breeding and poultry farming, along with the expansion of fodder crops cultivation and increasing their productivity it is also important to increase the mixed fodder production. Increasing the production of mixed feed is the most important task of forage industry, but animal placer feed has a number of drawbacks, such as hygroscopicity, low bulk density, susceptibility to delamination while moving, that are negative-

ly affecting its quality. The most effective way to eliminate these disadvantages is granulation. In this regard mixed fodder companies have special equipment for pelletizing fodder. Increase of pelleted feed production requires improvement of applied technologies, machinery and equipment toward reducing energy consumption of machines and improving fodder quality. In our country, to pelletize fodder different granulation presses with varying performance and drive power are used. However, there is a need to develop new equipment for mixed feed granulation. This is due to the fact that granulation of very large range of materials is carried out by serial equipment, and the majority of the existing presses has no adjuster of compression channel, because of what the energy intensity is overstated, as they have a high material consumption and, consequently, large size and weight. The small-sized equipment for farms of small enterprises is represented on the market in short supply. Among the presses of embossing type granulators with matrices, combining the functions of material granulation and the transfer of angular momentum are most suitable for small farms

Keywords: productivity, granulator, mixed fodder, forage mixture, process, energy, experiment, operation

mode.

Введение. Производство комбикормов в гранулированном виде является одним из средств экономии и рационального использования компонентов кормовых смесей и сырьевых ресурсов, что позволяет обеспечить механизацию процесса кормления сельскохозяйственных животных, улучшает условия труда, погрузки, хранения и транспортирования кормов, обеспечивает полную сохранность в них питательных веществ. Процесс гранулирования существенно влияет на изменение струк-

турно-механических свойств исходного сырья. В результате этого оно превращается из сыпучего состояния в продукт определенной формы. Кроме того, полученный продукт приобретает новые свойства и лучшие показатели питательности [1].

На рисунке 1 представлена технологическая схема процесса приготовления кормовых гранул, которая включает в себя основные операции, обеспечивающие подготовку и гранулирование многокомпонентных кормовых смесей.

Возврат крошки на прессование

Охлаждение гранул и отделение крошки

Хр анение Затаривание

Рисунок 1 - Технологическая схема процесса приготовления гранул

из кормовых смесей

Основной операцией технологии при- гранулы. По энергопотреблению процесс готовления гранул является процесс прес- прессования рассыпных кормовых смесей сования рассыпных кормовых смесей в находится на первом месте среди всех тех-

нологических операций, используемых при приготовлении кормовых гранул [2].

Процесс гранулирования в шестерён-ном прессе с горизонтально расположенными равновеликими колёсами-матрицами включает следующие технологические операции: из бункера-питателя смесь подаётся в приемную камеру перед рабочими органами и затягивается вращающимися навстречу друг другу зубчатыми колёсами-матрицами в межзубовое пространство и далее вдавливается поверхностью зубьев в каналы прессования. Силы трения между ними и внутренней поверхностью каналов прессования обеспечивают противодавление сжатому корму. В грануле за время нахождения в канале прессования напряжение постепенно затухает, и она упрочняется. Готовые гранулы выдавливаются новыми порциями корма из каналов прессования и отламываются [3, 4].

Снижению потребления энергии и повышению производительности прессов различной конструкции посвящены работы многих учёных и научных коллективов [2, 5, 6, 7, 8], при этом исследований шестеренных прессов с горизонтальными матрицами в виде двух равновеликих горизонтальных колес к настоящему времени не обнаружено. Однако такая схема пресса представляет большой интерес в сокращении энергозатрат и в практической реализации для ферм малых хозяйств.

Методология проведения работы. Возможности повышения производитель-

ности шестеренного пресса с горизонтально расположенными равновеликими зубчатыми колёсами-матрицами связаны в основном с конструктивными особенностями и параметрами зубчатых рабочих органов. Пропускная способность такого пресса в функции геометрических и конструктивных параметров в общем случае имеет вид

[5]:

Qc= 2 • z • V, • п , кг/с,

где z - количество межзубовых впадин на каждом колесе; Уед - объем единичной порции корма, обособленной при образовании замкнутого пространства входящим зубом сопряженного колеса, м3; Ро - плотность корма в момент образования замкнутого пространства, кг/м3; п - частота вращения колес, с-1. Для определения режима работы экспериментального пресса использовалась методика полнофакторного планирования. Принят ортогональный план для двух факторов, которые изменялись в пределах: частота вращения (Х1) - 140-180 мин-1 и подача измельченной пшеницы (Х2) - 3555 г/с. Критериями отклика избраны подача (кг/ч) пресса по производству качественных гранул и их качество по кроши-мости. Матрица плана представлена в таблице.

Матрица плана и средние значения производительности пресса и крошимости гранул

Уровни факторов в опыте Средние значения производительности, кг/ч Средние значения крошимости, %

Х1, об./мин Х2, г/с

-1 -1 105,9 5,3

-1 +1 128,7 6,7

+1 -1 161,9 12,1

+1 +1 201,5 18,6

+1 0 182,8 14,8

-1 0 118,2 6,1

0 +1 161,3 12,6

0 -1 135,8 8,1

0 0 149,3 11,3

Для обеспечения уровня значимо- Результаты работы. В результате сти результата 0,05 принято трёхкратное экспериментальных исследований полуколичество повторностей опытов. чено следующее уравнение производи-

Оценку воспроизводимости резуль- тельности пресса: татов экспериментов осуществляли по критерию Кохрена [9].

= -0,0092 q2 + 0,0026 п2 + 0,021 q П -1,0697 q -0,1597 П + 24,3647.

Проверку адекватности его на сходимость расчётных опытных данных подачи пресса осуществляли по критерию Фишера, получен результат F-теста = 0,998.

Поверхность отклика функции производительности гранулятора представлена на рисунке 2. По этим данным производительность пресса в большей мере зависит от подачи корма.

По результатам экспериментальных исследований переменной величиной в уравнении (1) можно оставить только объем единичной порции корма. Далее результат теории сравнили с уравнением (2), поддерживая неизменной частоту вращения матриц - 160 об./мин.

Число оборотов, об./мин

Рисунок 2 - Поверхность отклика производительности исследуемого гранулятора в функции частоты вращения колёс

Результаты сравнения вычисленных по теоретической зависимости (1) и полученных по результатам эксперимента значений производительности пресса приведены на рисунке 3. Они показывают, что фактическая производительность грануля-тора выше теоретической на 11-25%, что требует внесения в теоретические зависи-

мости поправочных коэффициентов, сглаживающих эту разницу.

Для второго критерия оптимизации -крошимости гранул воспроизводимость опытов также уточнена с определением критерия Кохрена.

Уравнение регрессии для крошимо-сти гранул представлено зависимостью

К = -0,0017 д2 - 0,0002 п2 + 0,0064 q П - 0,7983д - 0,0049 П + 3,1707,

при F-теста = 0,994, что свидетельствует о Поверхность отклика функции кроши-

его адекватности. мости гранул представлена на рисунке 4.

Рисунок 3 - График сравнения производительности гранулятора по теоретическим и экспериментальным данным

-Теоретическая зависимость производительности, кг/ч

- Экспериментальные данные производительности, кг/ч

45 50

Подача комбикорма, г/с

20

^

° , 15 л н о

О 10

Э

о о.

Подача комбикорма, г/с

Число оборотов, об./мин

Рисунок 4 - Поверхность отклика функции крошимости гранул

35

40

55

60

65

Оба уравнения, полученные в результате опытов, являются математической мо-

Решение их представляет компромиссную задачу.

Для нахождения области оптимальных значений параметров гранулятора ис-

делью процесса гранулирования кормов на исследуемом грануляторе:

пользован графический метод двухмерных сечений. На рисунке 5 изображены, наряду с изолиниями подачи пресса, изолинии крошимости полученных гранул.

^ =-0,0092 я2 +0,0026 п2 +0,021 q п-1,0697 я-0,1597 п + 24,3647 [К, = -0,0017 я2 - 0,0002 п2 + 0,0064 q п - 0,7983я - 0,0049 п + 3,1707 .

ч \ «« ч \ > Ч s 14 N 200'

\ V ч . 12

V. ч ч > ч V \ 150 'S ч 10 --

Ш;

ч Ч 8 -- - —— _

125" -

-- - --—

180 175

Производительность гранулятора, кг/ч

щ--Крошимость. %

утт77ц Область 165 У/Ллл рационального режима работы

160

1Число оборотов матриц,об/мин

150 145 ПО

35 37 39 И 43 45 47 49 51 53 55 Подача корма, кг/с

Рисунок 5 - График решения компромиссной задачи нахождения области оптимального режима работы пресса

Рассматривая совместное изображение двухмерных сечений поверхностей производительности пресса и крошимости полученных гранул по рисунку 5, можно признать рациональной зоной область в интервале подачи корма 47-49 кг/с до изолинии крошимости 12% согласно ГОСТ 23513.

Выводы. Таким образом, по результатам исследований определения рационального режима работы пресса оптимальное соотношение его производительности и качества гранул получено при частоте вращения матриц 155-160 об./мин и подаче корма 47-49 г/с.

Шестерённый пресс с частотой вращения матриц 160 об./мин и диаметром матрицы 288 мм обладает производительностью 131 кг/ч при энергоемкости 19,2 кВтч/т, что подтверждается приёмочными испытаниями в ФГБУ «СевероКавказская МИС» [10].

Литература

1. Кормозавод. Производство витаминной муки [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.кроликоферма.рф /proizvodstvo-kormov/proizvodstvo-kombi-korma.

2. Щербина, А.В. Определение рационального режима работы гранулятора ше-стерённого типа / А.В. Щербина, Д.С. Волков // Вестник Донского государственного технического университета. - 2009. - № 4. - С. 724-727.

3. Скидело, В.В. Технологический процесс гранулирования комбикорма ше-стерённым гранулятором с горизонтальными равновеликими колёсами-матрицами / В.В. Скидело // Вестник АПК Ставрополья. - 2013. - № 3. - С. 68-71.

4. Скидело, В.В. Результаты испытаний гранулятора кормов ПШ-120 / В.В. Скидело, И.Н. Краснов, Ж.В. Мат-вейкина // Вестник аграрной науки Дона. -2013. - № 3. - С. 20-25.

5. Щербина, В.И. Деформация корма в процессе гранулирования: монография / В.И. Щербина. - Ростов-на-Дону: ООО «Терра»; НПК «Гефест», 2002. - 104 с.

6. Буссо, В. Теория в области уплотнения сельскохозяйственной стебельной массы / В. Буссо // Земельные технические исследования. - 1964. - № 1. - С. 6-15.

7. Батлер, Ю.Л. Факторы, влияющие на гранулирование сена / Ю.Л. Батлер, Х.Ф. Колли // Сельскохозяйственное машиностроение. - 1962. - № 8. - С. 442-446.

8. Скальвейт, X. Силы и напряжения в прессованной соломе / X. Скальвейт // Сборник трудов. - 1938. - С. 30-35.

9. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Ленинград: Колос, 1980. - 168 с.

10. Протокол № 11-63-11 (1010013) ФГБУ «Северо-Кавказская МИС» от 12 декабря 2011 года Приёмочных испытаний гранулятора кормов ПШ-120.

References

1. Kormozavod. Proizvodstvo vitamin-noj muki [Feed mills. Production of vitamin flour], available at: http://www.krolikoferma. rf/proizvodstvo-kormov/proizvodstvo kombi-korma.

2. Shherbina A.V., Volkov D.S. Opre-delenie racional'nogo rezhima raboty granulja-tora shesterjonnogo tipa [Determination of rational operation modes of gear-type granulator], Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2009, No. 4, pp. 724-727.

3. Skidelo, V.V. Tehnologicheskij process granulirovanija kombikorma sheste-rjonnym granuljatorom s gorizontal'nymi ravnovelikimi koljosami-matricami [The technological process of granulating feed by gear granulator with horizontal equal wheels-matrices], Vestnik APK Stavropol'ja, 2013, No. 3, pp. 68-71.

4. Skidelo V.V., Krasnov I.N., Mat-vejkina Zh.V. Rezul'taty ispytanij granuljatora kormov PSh-120 [Test results of PSh-120 fodder granulator], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2013, No. 3, pp. 20-25.

5. Shherbina V.I. Deformacija korma v processe granulirovanija: monografija [De-

formation of fodder during granulation: monograph], Rostov-on-Don, OOO «Terra»; NPK «Gefest», 2002, 104 p.

6. Busso V. Teorija v oblasti uplotnenija sel'skohozjajstvennoj stebel'noj massy [The theory in the field of agricultural hypophyseal mass compaction], Zemel'nye tehnicheskie is-sledovanija, 1964, No. 1, pp. 6-15.

7. Batler Ju.L., Kolli H.F. Faktory, vlijajushhie na granulirovanie sena [Factors affecting the hay granulation], Cel'skohozja-jstvennoe mashinostroenie, 1962, No. 8, pp. 442-446.

8. Skal'vejt X. Sily i naprjazhenija v pressovannoj solome [Experiment planning in research of agricultural processes], Sbornik trudov, 1938, pp. 30-35.

9. Mel'nikov S.V., Aleshkin V.R., Roshhin P.M. Planirovanie jeksperimenta v issledovanijah sel'skohozjajstvennyh pro-cessov [Forces and stresses in the compressed straw], Leningrad, Kolos, 1980, 168 p.

10. Protocol No. 11-63-11 (1010013) FGBU «Severo-Kavkazskaja MIS» on 12 December 2011 Prijomochnyh ispytanij granuljatora kormov PSh-120 [Acceptance testing of PSh-120 fodder granulator].

Сведения об авторах

Скидело Виктор Владимирович - инженер, ФГБУ «Северо-Кавказская машиноиспытательная станция» (Зерноград, Ростовская область, Россия). Тел.: +7-908-182-02-74. E-mail: s-k-i-d@yandex.ru.

Краснов Иван Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация и технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)43-1-71. E-mail: Krasnov1310@rambler.ru.

Information about the authors

Skidelo Viktor Vladimirovich - engineer, FSBI «North-Caucasian machine-testing station» (Zernograd, Rostov region, Russia). Phone: +7-908-182-02-74. E-mail: s-k-i-d@yandex.ru.

Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Mechanization and technology of producing and processing of agricultural production department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)43-1-71. E-mail: Krasnov1310@rambler.ru.