автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-кинематических параметров шнекового рабочего органа для механического обезвоживания зелёной массы рапса

На правах рукописи

Яковлев Дмитрий Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ КО 11С I РУ КГ И В И О- К ИIIЕ МАТ И Ч ЕС К И X ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЗЕЛЁНОЙ МАССЫ РАИСА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени гсапдилша технических наук

Ростов-на-Дону - 2012.

005047053

005047053

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетом учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ)

Научный руководи гель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хозяев Игорь Алексеевич.

Краснов Ипан Николаевич

доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВПО Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия (АЧГАА), профессор кафедры «Механизация и технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции».

Ведущая организация:

Красноступ Станислав Маркович

кандидат технических наук, доцент. Институт энергетики и машиностроения ДГТУ, профессор кафедры «Технический сервис машин».

ГНУ Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии (СКНИИМЭСХ).

Защита состоится «23» мая 2012 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совега Д 212.058.05 в Донском государственном техническом университете: 344000, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, в аудитории 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан «&?» апреля 2012]

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Б. Федосеев

Обшли характеристика работы

Актуальность темы Согласно Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы, одним из приоритетов государственной политики является обеспечение животноводства растительным кормовым белком.

Одним из эффективных средств восполнения недостающего кормовою белка является технология влажного фракционирования растительного сырья, которая позволяет получить около 7% от исходной массы протеинового зелёного концентрата (ПЗК). Однако существенным недостатком технологии являются высокие энергозатраты на процесс приготовления ПЗК.

Использование культуры «рапс» в качестве источника кормового белка, наряду с рационализацией прессующего оборудования,Повышает рентабельность данной технологии и делает её привлекательной как для крупных комбикормовых производителей, так и для малых фермерских хозяйств.

Цель исследовании - обоснование конструктивно-кинематических параметров шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёной массы рапса, .позволяющего повысить степень отжима сока при сохранении энергоёмкости процесса.

Объект исследования - шнековый пресс для отжима сока, технологический процесс отжима сока из зелёных растений, зелёная масса рапса. '

Предмет исследования: закономерности процесса отжима сока из зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

Научная гипотеза - повышение степени отжима сока шнековым прессом без увеличения энергоёмкости возможно путём увеличения дренирующей поверхности в зоне прессования, за счёт создание отверстий в витках шнека.

Научная новизна

- разработана математическая модель процесса отжима сока шнековым

рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром, позволяющая получить исходные данные для инженерных расчётов шнекового пресса.

- установлены эмпирические зависимости степени обезвоживания, содержания волокнистой фракции в соке, удельной энергоёкости процесса механического обезвоживания зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

- разработаны теоретические предпосылки и определены биохимические свойства белковых ингредиентов необходимые для расчёта рецептур комбикорма на основе ПЗК.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложена конструкция пресса с новым шнековым рабочим органом, защищенным патентом на полезную модель № 93738 (10.05.2010). Экономический эффект от использования разработанного пресса, для типового фермерского хозяйства на 50 голов КРС, будет составлять 51431 руб в год.

Результаты , научных исследований внедрены в . Научно,-. Исследовательском Центре ООО «Славянский опытно-экспериментальный машиностроительный завод» (г. Славянск-на-Кубани) и переданы для использования в ГНУ «Северо-Кавказский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии» (г. Зерноград).

Материалы исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ДГТУ».

На защиту выносятся:

- теоретические зависимости степени обезвоживания зелёной массы растений от параметров шнекового пресса: давления прессования, числа оборотов шнека;

- , методика расчёта рецептуры комбикорма на основе ПЗК;

- ; результаты испытаний шнекового пресса с дополнительным дренирую-

щим контуром;

- шнековый пресс для отжима сока из зелёной массы рапса.

Апробация Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета (2006-2011 гг.), международных научно-практических конференциях «Состояния и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» ВЦ «ВертолЭкспо» (г. Ростов-на-Дону, 2008-2010 гг.), «Инновационные технологии - основа эффективного развития АПК России» СКМИИМЭСХ (г. Зерноград, 2010 г), «Инженерное обеспечение инновационного развития сельскохозяйственного производства» СКНИИМЭСХ (г. Зерноград, 2011г), «Пищевая промышленность и АПК: достижения, проблемы перспективы» Приволжский дом знаний (г. Пенза, 2011).

Публикация результатов: по теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК и I патент на полезную модель.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 119 наименований и приложений. Ра бота изложена на 148 страницах, содержит 71 рисунок и 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цель работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса процесса механического обезвоживания растительной массы. Цель и задачи исследования» рассмотрены и проанализированы вопросы производства кормов из зелёных растений с применением механического обезвоживания.

На основе изученной информации определено, что для производства белка из зелёных растений наиболее подходит зелёная масса рапса, обладающая высокой питательной ценностью.

Анализ оборудования для отжима сока выявил наиболее эффективную конструкцию - шнековый пресс. Однако данный вид прессов обладает суще-

ственными недостатками - высокой силой трения материала о рабочую поверхность и неравномерность по толщине слоя обезвоживания.

Повышение эффективности процесса механического обезвоживаиия возможно путём совершенствования обезвоживающего оборудования - шне-ковых прессов за счёт увеличения площади дренирующего контура.

Значительный вклад в исследование вопроса механического обезвоживания растительной массы внесли Фомин В.И., Новиков Ю.Ф., Долгов И.А., Пройдак Н.И., Севернёв М.М., Завражнов А.И., Кукта Г.М., Антонов Н.М. и другие. В работах этих учёных рассмотрены различные теории, описывающие процесс механического отжима сока.

На основе проведённого анализа сформулированы цель и задачи исследований:

Целью работы является обоснование конструктивно-кинематических параметров шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёной массы рапса, позволяющего повысить степень отжима сока при сохранении энергоёмкости процесса.

В основу работы положена научная гипотеза: повышение степени отжима сока шнековым прессом без увеличения энергоёмкости возможно путём увеличения дренирующей поверхности в зоне прессования, за счёт создание отверстий в витках шнека.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задами:

1 Установить теоретическую зависимость степени отжима (выхода сока) Л, от заданных параметров процесса отжима и качества сырья при обезвоживании растительной массы шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

2 Разработать методику перерасчета рецептуры комбикорма с заменой белковых ингредиентов на ПЗК.

3 Установить эмпирические зависимости степени отжима (выхода сока) л, содержания ..волокнистой фракции в соке с,, удельной энергоёмкости

процесса (по соку) Ы^ от факторов, оказывающих наибольшее влияние

на процесс механического обезвоживания зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

'■1 Обосновать режимы работы и рациональные параметры шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром для обезвоживания зелёной массы рапса.

5 Оценить экономический эффект от применения разработанной конструкции.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса отжима сока» построена математическая модель, описывающая процесс отжима сока шнековым прессом с дополнительным дренирующим контуром.

Межвитковое пространство шнека представлено в виде трапецеидального жёлоба, стенками которого являются витки шнека1 с уменьшающимся шагом (рисунок 1). В данном жёлобе, который является неподвижным, перемещается обезвоживаемый материал.

За основу модели выбран закон Дарси. Для элементарного слоя обезвоживаемого материала закон имеет следующий вид:

где V,,,, у|г - скорости фильтрации жидкости в элементарном слое, в направлениях у, г соответственно, м/с;

к„, к, - коэффициенты фильтрации жидкости в направлениях у, г соответственно, м2/Н-с;

ЗЯ. Д/ _ падение напора на единицу длины в направлениях у, : соот-

ду ' дг

ветственно (градиенты порового давления),Н/м.

Скорость фильтрации сока во всём канале (на участке 0- ) имеет вид

(2)

где V - скорость фильтрации жидкости при отжиме перфорированным шнеком (фильтрация в направлениях у и £), м/с;

О и с/ - наружный и внутренний диаметры шнека, соответственно, м; 2 - количество витков шнека; /г - ширина канала, м.

После подстановки в уравнение (2) зависимостей указанных параметров от координаты х, произведено интегрирование при помощи типовых программных средств. Для перфорированного шнека скорость фильтрации равна (|,-2в'(-1 + в4Сг}(2*-'- 2а-0,А„„(4<..'"~ -а,-**1- ■/>„)+

ь> (-1+»¿О г}.« (-1П • й ■ (о -«О'-^,"!1)

({2а: -а. •/>. „)+а„(-8с-"''~ +а„ ■/'.„))• _______

Ъ'-^У Л1 '

(3)

4а1 с;'"— - о, •/>„

4

(о- ¿у

>>1

Степень отжима сока равна

где - живое сечение ¡серною цилиндра; X - объёмный вес зелёного сока, кг/л/; , „ - плотность гидромассы, кг/л/; ~ диаметр отверстий дополнительною дренирующего контура,.»; ) - количество отверстий в ряде; / - количество каналов. к„Л„ [ 11а~'],с эмпирические коэффициенты.

В этой же главе произведено теоретическое обоснование рецептуры комбикорма на основе протеинового зелёного концентрата (ПЗК).

Для расчёта массы ПЗК П1тк для замены мясокостной муки, рыбной муки, соевого шрота, выведено уравнение:

У (/>;""""' ■ х"'""") - У /»"'""" ■ х"""'

ГЪ1 — -—'______________________________—'___________

Л- - х'""1'

л1т- Л

(5)

Расчёт массы ненротеинового компонента после замены пГ"1' произведём, используя закон сохранения масс из уравнения (5):

,,Г'' = £+ -т,пк . - <б>

Третья глава «Программа и методика экспериментальных исследований» содержит программы и методики исследований физико-механических и технологических свойств зелёной массы рапса применительно к процессу механического обезвоживания; биохимического анализа свойств зелёной массы рапса и продуктов её переработки; исследований работы шнека с дополнительным дренирующим контуром с помощью стенда; сравнительных испытания шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром. Даны описания аналитическим приборам, лабораторным установкам. Исследования биохимического состава проводились в лаборатории «Биохимического и спектрального анализа пищевых продуктов» ДГГУ, а также в Ростовской областной ветеринарной лаборатории.

9

На сгенде была проведена экспериментальная проверка эффективности конструкции перфорированного шнека. Установлено, что предложенная конструкция шнека работоспособна и является эффективной при давлениях свыше 1,8 МПа.

Разработана экспериментальная установка шнекового пресса для проведения исследований процесса отжима сока (рисунок 2).

Зеленая

Рисунок 2 - Схема экспериментального шнекового пресса: 1 - шнек; 2 - зеерная камера; 3 -загрузочный бункер; 4 - запорная крышка; 5 - запорное устройство; 6- сборник зелёного сока; 7 - ёмкость для жома; 8 - эл. двигатель; 9 - клиноремённая передача; 10 - червячный редуктор;

11 - муфта

Рисунок 3 — Фотография экспериментального шнекового пресса

В качестве параметров оптимизации данного эксперимента использованы: степень отжима Я , %, содержание волокнистой фракции в соке С,, %, удельная энергоёмкости процесса (по соку) .

Построен композиционный план эксперимента второго порядка, факторы которого имели следующие значения уровней: диаметр отверстий зеерного цилиндра = '»3; 2; 3; 4; 4,7 мм ; число оборотов я = 4,5; 6,75; 10, 1.3,25; 15,5 об!мин; давление /> = 0,5; 1; 1,75; 2,5; 3 МПа.

В четвёртой главе «Анализ результатов исследований» построены регрессионные модели степени отжима для перфорированного Лд, и сплошного Я5 шнеков, которые имеют вид

Яд, = 11,37 + 2,48 ■ - 0,59 • (¡1,. - 2,15 • и + 36,36 ■ Р - 6,86 ■/>"' + +0,2 ■ </„„,„ ■ и + 0,44 ■ </„,„ ■ Р + 0,42 п-Р

Л, = 14,52 +1,42-¿„„ -0,б-</2„ -2,29-и + 34,53-Р-7,05-/>2 + +0,28• с!„т ■ п + 0,6• <1ош ■ /> + 0,48 ■ л ■ />

(7)

(8)

,1 % 65

Л во

1 . ■ ■■

, N

V. !УЧч'

И 2 0 2.5 3.0 0 5 10 13 20 ' 12 3 4 5

обе

—— перфорированный шнек;-----цельный шпек

Рисунок 4 - Зависимости изменения степени отжима от: а - давления (п = 10 об/мин, с1ат = Злш); б - числа оборотов шнека (Я = 1,75МПа, с1шю = Злш); в - диаметра отверстий зеерной камеры (Р = 1,75 МП а, п = 10 об/мин)

Регрессионная модель содержания волокнистой фракции в ЗС имеет

вид:

Су = 5,3276-3,501+0,5256-+0,0875-п-0,0057-л2 -2,5032-Р + 0,3839- Р2 +

+ 0,0134--л 1-0,659-</ Р + 0,0024-л- Р (9)

сг %

5 ,

-------------------р М!1а о ~ п об/мин

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2 5 3.0 О 5 10 15 20 I 2 3 -1 5

а б «

Рисунок 5 - Зависимости изменения содержания волокнистой фракции в зелёном соке от: о-давления (и = 10 об/мин, й„,т = З.\ш)\ б - числа оборотов шнека (Р - /, 75МПа, с1от = 3мм)-, в - диаметра отверстий зеерной камеры (Р = 1,7 5 МП а, п = 10 об/мин)

Регрессионные модели удельной энергоёмкости процесса отжима сока для перфорированного и сплошного Л/Д, шнеков име^т следующий вид

N * = 4,672 - 0,791 • ¿/,„ + 0,255 ■ </;,„. + 0,164 - я ч- 0,025 ■ п3 - 1,24 Р +1,306 • />2 -0,05 ■ и -0,137 ■ ЙГ„„ - Я- 0,114 и - Я

Л^ =4,256-0,88-</„„,+0,277-<,,, + 0,225-л+0,024-и' - Р +1,439- />; -- 0,044- - и -0,192- </„„, ■ Р-0,\Л1пР

(10) (П)

Ыуд Вт*ч/кг 12 II

10 9 8 7

6

„,|_1

\ а

/

1 ! / .....К,.....-1

•л— "Н.......] -4-4—» : А "ИТ /•' ; ! .............

Ыуд Вткч/вг 12

II

10

—1-

Л

Мул Вт*ч/кг 12 11 10 9

"Г-"'

о 5 10 15 20 б

12 3 4

е

цельный шпек

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2,5 3.0

а

перфорированный шнек; Рисунок б - Зависимости изменения удельной энергоёмкости от: а - давления (и = 10 об/мин, с1„„к = Змм)\ б - числа оборотов шнека (Р = /, 75 МП а, с!т„г- Змм); в - диаметра отверстий зеерной камеры (Р = 1,75МПа, п - 10 об/мин)

Анализ полученных результатов показал, что наибольшее влияние на процесс отжима сока оказывает давление. При рабочем давлении свыше 2,5-3 МПа дальнейший рост степени обезвоживания значительно падает и после некоторого этапа перестаёт увеличиваться, при этом значительно рас-

тёт содержание волокнистой фракции в зелёном соке. Эффективность функционирования перфорированного шнека проявляется при давлении свыше 2 МПа, когда разница между степенями обезвоживания ЛЯ = 1,9% и удельная энергоёмкость АЫ =0,32 Вт-ч!кг превышает значение предельной ошибки измерения. Преимущество перфорированного шнека проявляется с ростом давления. При давлении 3 МПа разница составляет М = 3,5% при удельной энергоёмкости Л/У = 0,57 Вт-ч/кг.

По результатам теоретических исследований и на основе найденных физико-механических свойств, построены расчётные модели степени отжима сока для перфорированного и сплошного шнеков. Среднее относительное отклонений значений теоретической модели от результатов эксперимента составляет около 18 %.

Ы) •

50 ■ 40 [

4 /

го f;

I JfiP | Ti ] ...........

» /

lot

А V,

1 х I«6 2x1

3XI06 Jx'lO6

""■»Я

а б

регрессионная модель; - ----теоретическая модель Рисунок 7 - Зависимости изменения степени отжима от: а - давления (« =-10 об/мин, dmm = Злш), б - числа оборотов шнека (Р = 1,75МПа, dam = Змм)

Из графиков следует, что с ростом давления повышается эффективность функционирования конструкции шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром. Зависимости от числа оборотов имеют одинаковую закономерность и разные значения.

На основе метода «Последовательных уступок» проведена многокритериальная оптимизация. Получены следующие рациональные параметры процесса и рабочего органа для отжима сока, соответствующие степени отжима А = 59,1%:

- диаметр отверстий дренирующего контура d„„„=3,4 мм;

13

- число оборотов шнека

- давление прессование

- удельная энергоёмкость (по зелёному соку)

- содержания волокнистой фракции в зелёном соке

В пятой главе «Практическая реализация результатов исследования» приведена методика инженерного расчета шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром, производительностью 250 кг/час. На основе исходных данных: О - производительность, кг/ч; Л - степень отжима, %. рассчитываются основные параметры: п. об/мин - число оборотов шнека; Рта Па - давление на выходе; О, м - наружный диаметр шнека; с/, м - внутренний диаметр шнека; К, м - шаг первого витка; /V, кВт - мощность, затра чиваемая на привод шнека.

Приведены результаты биохимического анализа ЗМ рапса и продуктов

её переработки.

По результатам исследований представлена модельная конструкция шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром (рисунок 8).

/

Рисунок 8 - Модель шнекового пресса с разрезанными зеерпой камерой,

запорным устройством, подшипником: 1 - приёмный бункер, 2 - шнек, 3 - зеерный цилиндр, 4 - рёбра жёсткости, 5 - запорная крышка; 6 - направляющая опора; 7 - рама запорного устройства; 8 - подвижный упор; 9 - пружина сжатия; 10 винт натяжения; 11 - ёмкость зелёного сока

п - 15об/мип; Р 2,57 МПа;

Д.'^ = 10,3 Втч/кг ; С, = 2,18 %.

3 I

МУСЛИН!

2

А-А

/ Е

5

Е

Рисунок 9 - Чертёж шнекового рабочего органа с дополнительным дренирующим контуром: 1 - канал; 2,3 - отверстия

Оценён экономический эффект от использования шнекового пресса малой производительности с дополнительным дренирующим контуром. Фермерским хозяйствам требуются капиталовложения на покупку пресса в размере 96153 руб. Расчётный срок окупаемости за счёт производимого продукта - протеиновой зелёной пасты (ПЗГ1) составляет 2,6 года. Чистый дисконтированный доход за период эксплуатации машины 10 лет составит 236617 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром, позволяющая получить исходные данные для инженерных расчётов шнекового пресса.

2. Разработаны теоретические предпосылки и определены биохимические свойства белковых ингредиентов для расчёта рецептур комбикорма на основе ПЗК.

3. Установлены эмпирические зависимости: степени отжима сока Л, удельной энергоёмкости (по зелёному соку) Л^, содержания волокнистой фракции в зелёном соке С/ от диаметра отверстий дренирующего контура 4™«, числа оборотов шнека п, давления прессования Р при отжиме сока из

15

зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

4. Разработана методика расчёта конструктивных, кинематических, силовых и энергетических параметров шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром исходя из заданной производительности Q, кг/ч и степени обезвоживания Л, % (конечной влажности жома W„ %).

5. Разработан шнековый пресс с дополнительным дренирующим контуром для отжима сока из зелёной массы рапса, имеющий следующие рациональные параметры: диаметр отверстий дренирующего контура с!,„т= 3.-1 мм; число оборотов шнека об/мин: давление прессования Р 2,57 МПа. Эффективность пресса заключается в увеличении степени отжима на 0,35...1,14 % (на 0,2...0,7 % в абсолютном значении) в сравнении с цельным шнеком и снижении удельной энергоёмкости (по зелёному соку) на 2...2,6 % (на 0,2...0,29 Вт-ч/кг в абсолютном значении).

6. Использование шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром фермерскими хозяйствами требует капиталовложение на покупку пресса в размере 96153 руб. Расчётный срок окупаемости за счёт производимого продукта - протеиновой зелёной пасты (11311), составляет 2,6 года. Чистый дисконтированный доход за период эксплуатации машины в течении 10 лет составит 236617 руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Яковлев Д.А. Определение физико-механических свойств зелёной массы

рапса [Текст]/Д.А. Яковлев, М.С. Дукаревич // Вести. Доне. гос. техн. унта. 2009. - Т9. - С. 142-148.

2. Яковлев Д.А. Рационализация шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёных растений [Текст]/ Д.А. Яковлев // Вестн. Доне. гос. техн. ун-та. 2010. - Т10, №4. - С. 556-559.

3. Яковлев Д.А. Теоретические исследования процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром

16

[Текст]/ Д.А. Яковлев // Вестн.Донс. гос. техн. ун-та. 2011. - TI 1, №7. -С. 997-1004.

Патент:

4. Пат. 93738 Российская Федерация, МПК7В 30 В 9/12, В 30 В 9/14. Шпеко-вый пресс для отжима сока из растительного сырья [Текст]/ Карапетьян А.Г., Яковлев Д.А.; заявитель и патентообладатель Донской ГТУ - № 2009146664/22; заявл. 15.12.2009; опубл. 10.05.2010, Бюл. № 13. - 2 с. : ил.

В периодических изданиях:

5. Яковлев Д.А. Обоснование рабочих органов измельчителя ИШН-5

[Текст]/ Д.А. Яковлев, М.С. Дукаревич, А:Г. Карапетьян // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы между нар. научн.-практ. конф. Ростов-н/Д, 2008 . - С.60-63.

6. Яковлев Д.А. Разработка технологического оборудования для производства белкового ингредиента рыбных комбикормов [Текст]/ Д.А. Яковлев, М.С. Дукаревич // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. научн.-практ. конф. Ростов-н/Д, 2009.- С.486-488.

7. Яковлев Д.А. Результаты статических экспериментальных исследований по механическому обезвоживанию зелёной массы рапса [Текст]/ Д.А. Яковлев // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. научн.-практ. конф. Ростов-н/Д, 2009. - С.488-491.

8. Яковлев Д.А. Выбор конструкции шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёных растений [Текст]/ Д.А. Яковлев, А.Г. Карапетьян, H.H. Шумская, Д.В. Рудой // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. научн.-практ. конф. Ростов-н/Д, 2010.-С. 101-105.

9. Хозяев И.А. Разработка рецептуры рыбных комбикормов с заменой дорогостоящих белковых компонентов протеиновыми зелёными kötmen гратами [Текст]/ И.А. Хозяев, Д.А. Яковлев // Состояние и перспектИвь( разви-

17:

тия сельскохозяйственного машиностроения: материалы междунар. на-учн.-практ. конф. 4-5 марта. - Ростов-п/Д, 2010 . - С. 78-81.

Ю.Яковлев Д.А. Анализ конструкции и выбор шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёных растений [Текст]/ Д.А. Яковлев, А.Г. Кара-петьян // Инновационные технологии и техника - основа повышения эффективности животноводства: Сб.науч.тр. / СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2010.-С. 357-364;

11.Рудой Д.В. Экспериментальные исследования процесса гранулирования кормосмеси на основе протеиновой зелёной пасты [Текст]/ Д.В. Рулой, С.А. Уванов, Д.А. Яковлев, А.Г. Карапетьян // Инновационные технологии и техника - основа повышения эффективности животноводства: Сб.науч.тр./СКНИИМЭСХ.- Зерноград, 2010.-С. 21-27.

12.111умская H.H. Исследование химического состава протеиновых зелёных концентратов [Текст]/ H.H. Шумская, A.A. Иванова, Д.А. Яковлев // Пищевая пром-ть и АПК: достижения, проблемы, перепет ивы: Сб. ст. -Пенза, 2011.-С. 12-15.

13.Яковлев Д.А. Методика расчёта процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром [Текст]/ Д.А Яковлев // Пищевая пром-ть и АПК: достижения, проблемы, перспективы: Сб. ст. - Пенза, 2011. - С. 33-35.

Н.Яковлев Д.А. Теоретические основы расчёта шнекового рабочего органа с дополнительным дренирующим контуром [Текст]/ Д.А. Яковлев // Инновационные процессы и технологии в животноводстве: исследования, испытания, внедрения: Сб.науч.тр./ СКНИИМЭСХ. - Зерноград, 2011. - С. 44-50.

15.Рудой Д.В. Обзор и анализ конструкций рабочих органов шнековых пресс-грануляторов [Текст]/ Д.В. Рудой, И.А. Хозяев, Д.А. Яковлев // Инновационные процессы и технологии в животноводстве: исследования, испытания, внедрения: Сб.науч.тр./ СКНИИМЭСХ, - Зерноград, 2011. -С. 50-54.

В печать /37U9.2Q12.

Объём /, О усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ № S&9. Тираж /¿?^экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ ~

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

61 12-5/3141

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ДГТУ)

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЗЕЛЁНОЙ МАССЫ РАПСА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства (по техническим наукам)

На правах рукописи

Яковлев Дмитрий Анатольевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор И.А. Хозяев

Ростов-на-Дону - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ МАССЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................................9

1.1 Обзор свойств растительного сырья, используемого в технологии влажного фракционирования...............................................9

1.2 Обзор биохимического состава комбикормов......................................14

1.3 Обзор технологий обезвоживания сельскохозяйственного сырья......15

1.4 Обзор и анализ прессующего оборудование для отжима сока из биомассы растений..................................................................................18

1.5 Обзор теоретических исследований процесса отжима сока прессованием...........................................................................................28

1.6 Цель и задачи исследования...................................................................39

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОТЖИМА СОКА....42

2.1 Разработка математической модели процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром...................................................................................................42

2.2 Теоретическое обоснование рецептуры комбикорма на основе протеинового зелёного концентрата......................................................62

2.3 Выводы по разделу..................................................................................63

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................65

3.1 Исследования физико-механических и технологических свойств зелёной массы рапса применительно к процессу механического обезвоживания.........................................................................................65

3.2 Биохимический анализ свойств зелёной массы рапса и продуктов

её переработки..........................................................................................69

3.3 Исследование работы шнека с дополнительным дренирующим контуром с применением стенда.............................................................70

3.4 Сравнительные испытания шнековош пресса с дополнительным дренирующим контуром..........................................................................76

3.5 Выводы по разделу...................................................................................95

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................96

4.1 Результаты экспериментальных исследований шнекового пресса

с дополнительным дренирующим контуром........................................96

4.2 Сравнительные результаты теоретической модели и экспериментальных результатов степени отжима при механическом обезвоживании зелёной массы рапса.........................111

4.3 Рационализация конструктивно-кинематических параметров шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром......114

4.4 Выводы по разделу................................................................................118

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ .. 120

5.1 Методика инженерного расчета шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром производительностью

250 кг/час................................................................................................120

5.2 Методика перерасчёта рецептуры комбикорма при замене белковых ингредиентов протеиновым зелёным концентратом.......126

5.3 Разработка конструкции шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром.......................................................................127

5.4 Разработка бизнес-плана по внедрению в производство шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром......130

5.5 Выводы по разделу................................................................................134

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................I35

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................136

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................I49

Приложение А. Тарировка тензодатчиков.........................................................149

Приложение Б. Определение коэффициентов математической модели

процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром................................................................................152

Приложение В. Расчёт экономических показателей........................................162

Приложение Г. Протоколы измерения массовой доли каротина на БИК

анализаторе «ИнфраЛюм ФТ-10»...............................................................169

Приложение Д. Электрфореграммы анализа на содержание аминокислот, проведённого в лаборатории «Биохимического и спектрального

анализа пищевых продуктов» ДГТУ.............................................................172

Приложение Е. Обработка данных с электрофореграмм................................174

Приложение Ж. Результаты анализа комбикорма на содержание

аминокислот.....................................................................................................175

Приложение 3. Осциллограммы измерений параметров в процессе

экспериментальных исследований шнекового пресса................................176

Приложение И. Обработка данных с осциллограмм.......................................192

Приложение К. Обработка экспериментальных данных.................................196

Приложение Л. Акты об использовании результатов......................................200

Приложение М. Патент на полезную модель....................................................204

Приложение Н. Сборочный чертёж шнекового пресса...................................208

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Согласно Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы, одним из приоритетов государственной политики является обеспечение животноводства растительным кормовым белком.

Одним из эффективных средств восполнения недостающего кормового белка является широко распространённая в 70-80-х годах технология влажного фракционирования растительного сырья. Переработка зелёных растений на базе этой технологии позволяет получить около 7% от исходной массы протеинового зелёного концентрата (ПЗК). При этом оставшийся жом (Ж), как в свежем виде, так и в виде травяной муки, также является полноценным кормовым источником

для сельскохозяйственных животных.

Однако процесс сушки в данной технологии является крайне дорогостоящим. На сушку затрачивается около 80 % энергии. Повысить эффективность технологии возможно, интенсифицируя ключевой процесс - механическое обезвоживание. Механическое удаление влаги из растительного сырья в 200...5000 раз менее энергоёмкое, чем тепловая сушка [95]. Рационализация (повышение степени обезвоживания) прессового оборудования позволит снизить энергозатраты на сушку, а в условиях малых фермерских хозяйств, обезвоженный до определённой степени жом, возможно высушивать естественным образом.

Наряду с повышением эффективности технологии, необходимо уделить особое внимание выбору сырья для производства ПЗК. Наиболее распространённым источником ПЗК долгое время являлась люцерна. Однако последнее время значительно возрос интерес к культуре «рапс». Несмотря на то, что рапс рассматривается в качестве сырья растительного масла, зелёная масса (ЗМ) этого растения обладает высокой кормовой ценностью. Содержание протеина в сухом веществе зелёной массы достигает 30 %, а в ПЗК до 60 % [99]. Повышенный интерес к этой культуре привёл селекционеров к выведению безопасных 00 сортов.

Таким образом, обеспечение животноводства недорогим растительным белком является весьма актуальной задачей. Технология влажного фракционирования, наряду с рационализацией прессующего оборудования, в целом, повышает рентабельность данного производства и делает его привлекательным как для крупных комбикормовых производителей, так и для малых фермерских хозяйств.

В этой связи целью настоящей диссертации является обоснование конструктивно-кинематических параметров шнекового рабочего органа для отжима сока из зелёной массы рапса, позволяющего повысить степень отжима сока при

сохранении энергоёмкости процесса.

Объект исследования: шнековый пресс для отжима сока, технологический процесс отжима сока из зелёных растений, зелёная масса рапса.

Предмет исследования: закономерности процесса отжима сока из зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

Научная гипотеза: повышение степени отжима сока шнековым прессом без увеличения энергоёмкости возможно путём увеличения дренирующей поверхности в зоне прессования, за счёт создание отверстий в витках шнека.

Научная новизна:

- разработана математическая модель процесса отжима сока шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром, позволяющая получить исходные данные для инженерных расчётов шнекового пресса.

- установлены эмпирические зависимости степени обезвоживания, содержания волокнистой фракции в соке, удельной энергоёкости процесса механического обезвоживания зелёной массы рапса шнековым рабочим органом с дополнительным дренирующим контуром.

- разработаны теоретические предпосылки и определены биохимические свойства белковых ингредиентов необходимые для расчёта рецептур комбикорма на основе ПЗК.

Практическая значимость: предложена конструкция пресса с новым

шнековым рабочим органом, защищенным патентом на полезную модель № 93738 (10.05.2010). Экономический эффект от использования разработанного пресса, для типового фермерского хозяйства на 50 голов КРС, будет составлять 51431 руб в год.

Результаты научных исследований внедрены в Научно-Исследовательском Центре ООО «Славянский опытно-экспериментальный машиностроительный завод» (г. Славянск-на-Кубани) и переданы для использования в ГНУ «СевероКавказский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии» (г. Зерноград).

Материалы исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ДГТУ».

На защиту выносятся:

- теоретические зависимости степени обезвоживания зелёной массы растений от параметров шнекового пресса: давления прессования, числа оборотов шнека;

- методика расчёта рецептуры комбикорма на основе ПЗК;

- результаты испытаний шнекового пресса с дополнительным дренирующим контуром;

- шнековый пресс для отжима сока из зелёной массы рапса.

Апробация: Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета в 2006-2011 гг., международных научно-практических конференциях «Состояния и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» ВЦ «ВертолЭкспо», г Ростов-на-Дону в 2008-2010 гг., «Инновационные технологии

- основа эффективного развития АПК России» СКНИИМЭСХ. г. Зерноград 2728 мая 2010 г, «Инженерное обеспечение инновационного развития сельскохозяйственного производства» СКНИИМЭСХ, г. Зерноград 6-7 апреля 2011 г, «Пищевая промышленность и АПК: достижения, проблемы перспективы» Приволжский дом знаний, г. Пенза в мае 2011.

Публикация результатов: по теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент на полезную модель.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 119 наименований и приложений. Работа изложена на 148 страницах, содержит 71 рисунок и 25 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ МАССЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор свойств растительного сырья, используемого в технологии влажного

фракционирования

Для нормального роста, развития, воспроизводства и продуцирования животных нужны корма такого качества, в которых наилучшим образом сочетаются все необходимые животному организму элементы питания: протеин, углеводы, минеральные соли, витамины, микро- макроэлементы, стимуляторы, ростовые и другие физиологически активные вещества.

Кормовые культуры, предназначенные для производства полнорационного комбикорма должны обладать достаточной питательной ценностью.

Наиболее распространенными кормовыми культурами в нашей стране являются: люцерна, рапс, эспарцет, клевер, горох, вика, донник, соя, чина, ячмень, рожь, кукуруза, сорго, суданка, ботва кормовой свеклы, топинамбура, моркови. Особое место в этом списке занимает весьма популярная в последнее время культура - рапс [37].

Химический состав кормов (рисунок 1.1) состоит из двух основных элементов - воды и сухого вещества [42]. Все питательные вещества содержаться в последнем.

Одним из важных показателей качества корма является содержание белка. Потребность животного организма в белке должна полностью удовлетворяться, так как белок не заменим другими веществами [62].

В составе растительных белков наиболее распространены 22 аминокислоты, 10 из которых являются незаменимыми. Правильно составленный рацион должен содержать все жизненно необходимые аминокислоты.

Рисунок 1.1- Структура химического состава корма

Согласно проведённым исследованиям [3, 48, 62, 85] наиболее часто используемые в технологии влажного фракционирования культуры, а также продукты их переработки имеют следующий аминокислотный состав (таблица 1.1). Таблица 1.1 - Аминокислотный состав зелёной массы некоторых культур, % к

Аминокислоты Рапс Люцерна Соя Горох

Аргинин 4,8 6,8 8,2 5,3

Алании 5,2 5,0 * *

Лизин 2,9 7,1 3,4 5,7

Гистидин 1,9 2,4 2,5 2,8

Метионин 1,2 2,0 1,8 1,4

Лейцин 7,4 12,4 11,5 11,1

Изолейцин 4,2

Триптофан * 1,4 1Д 1,9

Глицин 4,8 * * *

Фенилаланин 4,5 5,2 4,7 4,1

Цистин * 1,3 1,1 *

Пролин 4,4 4,1 * *

Серин 4,2 6,1 * *

Аспарагиновая к-та 7,6 7,0 37,0 *

Глютаминовая к-та 10,9 8,0 *

Треонин 5,7 5,6 5,3 4,3

Тирозин 2,9 4,0 2,4 *

Валин 4,9 6,3 5,3 3,8

данные, не приведённые в рассмотренных литературных источниках

Информация об аминокислотном составе зелёной массы рапса и продуктов его переработки в технологии влажного фракционирования представлена частично и не является полноценной.

Второй наиболее важный показатель качества зелёного корма - содержание провитамина А - каротина.

Химический состав зелёной массы наиболее распространённых на территории нашей страны культур, согласно литературным источникам [3, 30, 37, 62, 85], приведён ниже.

Кормовая культура Вода, % Протеин, % в сухом в-ве Каротин, мг/кг в сухом в-ве

Рапс 86,8 30,5 200

Люцерна 78,9 21,4 125

Соя 76,2 17,95 147

Горох 83,7 21,1 116

Донник 75,9 18,8 220

Чина 76,2 22,7 210

Эспарцет 74,3 19,13 125

Сурепица 77,3 19,19 120

Амарант 83,5 18,66 130

Топинамбур 78,2 14,8 160

Рапс является культурой с высоким содержанием протеина и является наиболее перспективной для приготовления из неё протеиновых зелёных концентратов. Поскольку данная культура ранее не рассматривалась в качестве источника ПЗК, информация о продуктах переработки зелёной массы рапса в опубликованных работах не представлена. Вследствие этого необходимо провести анализ зёленой массы рапса и продуктов его переработки в технологии влажного фракционирования на содержание протеина, жира, каротина.

Остальные питательные вещества, необходимые для полноценного рациона сельскохозяйственных животных, при производстве комбикормов восполняются другими ингредиентами:

минеральные вещества - минеральными добавками; жиры - жмыхами, шротами;

углеводы:

клетчатка - соломой злаков; крахмал - зёрнами злаков, клубнями картофеля; сахар - патокой сахарной свеклы, сорго, витамины — премиксами.

Исследования строения стебля [86] (рисунок 1.2) показали, что осевой канал стеблей рапса заполнен белой ячеистой паренхимной тканью. Поперечные размеры ячеек несколько превышают продольные. К особенностям строения стеблей рапса можно отнести значительный размер внутренней полости в сравнении с толщиной стенки, а также наличие в последней довольно густой сети капилляров и пор преимущественно овальной формы, расположенных по закону случая. Однако в стенке стеблей рапса капилляры более узкие, их диаметр не превышает 50 мкм, с преобладанием размеров 20 мкм и менее.

а

в

Рисунок 1.2 - Растровые электронные микрофотографии поперечных а,б и продольных в срезов стеблей рапса [86]

Таким образом, можно сделать вывод, что волокна, содержащиеся в стенке имеют большую плотность и, следовательно, при измельчении разрушение паренхимой ткани канала и стенки стебля будет проходить неравномерно. Вследствие такого неравномерного измельчения, будут оставаться твёрдые волокна большей длины, чем основная сокосодержащая масса. Эти волокна создадут каркас для сокоотводящих капилляров, в процессе отжима прессованием.

1.2 Обзор биохимического состава комбикормов

Комбикорм (комбинированный корм) - это смесь различных кормов, сбалансированная по белку, минеральным вещества и другим элементам [42]. Его готовят индивидуально для отдельных видов сельскохозяйственных животных, с