автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси

на правах рукописи

Гаврилов Николай Владимирович

Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси

специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Оренбург 2005

Работа выполнена на кафедре "Машинно - тракторный парк" Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова

Научный руководитель - кандидат технических наук

Курманов Аяп Конлямжаевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Квашенников Василий Иванович, кандидат технических наук, доцент Зубкова Татьяна Михайловна.

Ведущая организация - департамент агропромышленного комплекса

Оренбургской области

Защита состоится 28> ЙИрвлЯ 2005 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.220.051.02 при Оренбургском государственном аграрном университете по адресу: 460795, ГПС, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, д. 18, ОГАУ, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного университета.

Автореферат разослан 28 нарта 2005

Учёный секретарь

диссертационного совета 1— М. М. Константинов

Ц^ВФ^" Общая характеристика работц.

Актуальность темы. Совершенствование технологии заготовки, приготовления и хранения кормов, применение более совершенных машин и оборудования позволяет переработать в качестве корма большую часть биологического урожая.

Но использование кормов в необработанном, сухом виде имеет низкую переваримость у животных. Корма, используемые в рационе животных, усваиваются в организме лишь на 30 - 35%. Получить дополнительные 20 -30% можно только после их дополнительной обработки.

Один из резервов роста эффективности кормоприготовления -использование экструдированных кормосмесей в рационах животных. Экструдирование обеспечивает эффективное механическое воздействие на компоненты корма, разрушает структуру материала, что в дальнейшем повышает питательность и поедаемость корма; возможна переработка старого, сухого корма; обработка связана с высокими температурами 100 - 200°С и давлениями порядка 1,5 - 25МПа, что способствует устранению микробиологической обсеменённости, передаваемой через корм; за счёт экструзионной обработки увеличивается ассортимент кормов. Однако , экструдирование энергоёмкий процесс, при котором возможна утечка корма между корпусом и торцом витка винта, в результате чего происходит г прнгорание корма между поверхностью и стенкой корпуса, что также повышает энергоёмкость процесса. Поэтому повышение эффективности работы экструдера является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ "Совершенствование машин для кормоприготовления".

Цель исследования: Повышение эффективности экструдирования кормов путем совершенствования конструкции экструдера.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

ЬИС-Л^Л ЕКА Сестер3

> доСрк

Задачи исследования:

- на основании выполненного анализа исследований выявить факторы, влияющие на эффективность процесса экструдирования;

- теоретически и экспериментально обосновать конструктивно-режимные параметры экструдера при производстве кормосмеси;

- провести производственную проверку и дать экономическую оценку эффективности работы разработанной конструкции.

Объект исследования: процесс экструдирования кормосмесей. Научная новизна:

- определены закономерности изменения процесса экструдирования при переработке кормосмеси, получены аналитические зависимости его производительности и энергоёмкости от конструктивно-режимных параметров (частоты вращения винта, зазора между корпусом и винтом, угла скоса винтовой поверхности, длины фильер в отношении к сумме диаметров выходных отверстий);

- разработан комплексный оценочный показатель эффективности экструдирования;

- определены коэффициенты трения и сдвига перерабатываемой кормосмеси о внутреннюю поверхность корпуса экструдера.

Практическая ценность:

- разработана конструкция экструдера с обоснованными скосом винтовой поверхности шнека, длиной фильер и его режимными параметрами. Внедрение результатов исследований.

Опытный образец внедрён в хозяйстве "ОПХ Заречное" Костанайской области, Республики Казахстан. Апробация:

Общие положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях, в том числе и международной, в Оренбургском

государственном аграрном университете (г. Оренбург, Россия, 2003 -2004год), в Костанайском государственном университете (г. Костанай, Республика Казахстан 2001 - 2004год). На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-режимных параметров экструдера;

- методика определения угла защемления кормосмеси при экструдировании;

результаты производственных испытаний и экономическая оценка разработанного экструдера. Публикации:

По материалам диссертации опубликовано шесть работ, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2003/1620.1).

Структура и объём диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, включая список литературы из 97 наименований, 43 рисунка, 12 таблиц и шести приложений. Содержание работы;

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Общее состояние вопроса" представлен анализ результатов исследований и известных технических решений, их систематизация и классификация.

Большая роль в решении вопросов совершенствования экструзионной техники принадлежит таким учёным, как А. И. Завражнов, JI. П. Карташов, В. Ю. Полищук, И. Э. Груздев, Ю. П. Широв, Т. М. Зубкова, Е. С. Макаров, А. И. Жушман, В. Г. Короткое, В. П. Попов, Р. Г. Мирзоев, В. И. Янков, В. А. Силин

и другим. Ими проведены исследования рабочих процессов одношнековых экструдеров в связи с различными факторами, такими как: влажность корма, состав корма, температура при экструдировании," давление в выходной части (оголовке) и так далее; при исследованиях рассмотрены различные конструкции экструдеров, экспандеров.

В результате анализа конструкций экструдеров установлено, что наиболее перспективной конструкцией является одношнековый, однозаходный экструдер. В работе принята гипотеза, что повышение производительности < экструдера, снижение энергоёмкости может быть обеспечено за счёт изменения конструкции винта.

Во второй главе "Теоретические исследования" проведены аналитические исследования рабочего процесса одношнекового экструдера. Различные свойства экструдируемого корма затрудняют использование законов механики деформированного тела, однако, в зоне пластической деформации движение материала можно считать однородным сплошным потоком. Это позволило применить при расчётах аппарат дифференциальных и интегральных исчислений. В результате приложения вращающего момента к винту в экструдируемом материале возникают напряжения пропорциональные площади, на которую воздействует сила Р, и её производные силы (Р,) (рисунок 1). Кроме сил на рисунке 1 показаны углы, активно влияющие на движение материала: а - угол подъёма винтовой линии, град.; О, - угол ) образующей витка, град.; Ч* - угол скоса торца витка винта, град.

С целью устранения утечек корма через зазор между торцом витка винта и корпусом предложено создание гидравлического затвора, используя физико-механические свойства материала. Угол Ч* соизмерим с углом трения материала корма о сталь, это создаёт условие для защемления корма между стенкой корпуса и торцом витка винта (Вид А).

&ИА А

±У _2_/ з

Рисунок 1. Распределение сил при экструдировании. 1 - корпус, 2 - винт, 3 - фильера.

Гила Р ] связана с крутящим моментом зависимостью.

К, =-

м

(1)

1 гср 48(а + «')

где: М - крутящий момент, РРм; гср - средний радиус винта, м; ф - угол трения материала, град.

При отсутствии угла скоса винтовой поверхности условие равновесия будет выглядеть следующим образом:

^ = ^ + Н, (2)

где: - реакция стенки фильер, Н; Р5 - сила перемещения корма, Н; Р4 -

сила, возникающая в результате утечки, Н; выдавливание экструдата, Н.

сила обеспечивающая

Для экструдера с изменённым профилем винтовой поверхности, найдём условие равновесия:

^ = + ^ + (3)

где: Р'з - сила, действия в зоне А, при воздействии скоса винтовой

ПОВСрХН0С1И,[1.

Напряжение в слое прессуемого материала:

<т = |; Н/м2 (4)

где: Б - площадь сечения, м2. По аналогии с формулой (3):

а = а2 + аз + (Т; - о>; Н/м2 (5)

Для вязкопластического состояния материала при экструдировании возможно применение уравнения Освальда - де Виля:

т=ргуп; Н/м2 (6)

где: т - напряжение сдвига; р. - коэффициент консистенции материала; у -скорость сдвига материала; п - индекс течения.

С учётом значений по формулам (4 и 6) после математических преобразований получили значение крутящего момента:

М-ГП-г -Tr-tgia+ç)

4 --;Н-м (7)

где: Т =

T'f л

J сд

(

cosQ. 1 sinfi sinfi

R-L AB a■ (/?max+ jn)'cos// dcp-(D-d) ¿2

; 1/M2 (7.1)

R - радиус корпуса экструдера, м; d -- диаметр винта экструдера, м; ^д

- коэффициент трения материала; L - длина рабочей части экструдера, м; D -диаметр корпуса экструдера, м; Rmax (R„„„) - максимальный (минимальный) радиус витка винта при изготовлении скоса, м; АВ - длина скоса витка винта шнека, м; а - число витков; dcP - средний диаметр винта экструдера, м;

с!ф - диаметр выходных отверстий фильеры, м. Мощность, затрачиваемая на экструдирование:

M'/" г ■n-tg(a + (p)

N =----i—--------СО ;кВт (8)

'Jcd

где: со - частота вращения, рад/с.

Производительность экструдера при переработке кормосмеси:

б ^ЗЯтахЦЧ&ри кг/ч (9)

где: gk, §пт - безразмерные коэффициенты, связанные с вязкостью материала (от 0 до 1); г| - коэффициент проскальзывания; у0 - окружная скорость шнека м/с.; И - глубина винтового канала, м; р - шаг шнека, м; 1 - число заходов шнека.

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" изложена программа и методика лабораторных испытаний. Методика лабораторных испытаний состоит из общей и частной методик. Частной методикой предусмотрено проведение экспериментов: по проверке рабочей гипотезы; определению коэффициента трения кормосмеси о сталь; определению качества экструдата. Для проверки рабочей гипотезы была изготовлена экспериментальная установка (рисунок 2). В качестве плана эксперимента выбрали симметричный квази - Д оптимальный план Песочинского, для трёх факторов, варьируемых на трёх уровнях, в качестве факторов определили: угол скоса торца витка винта к стенке корпуса (Х.); зазор между плунжером и корпусом (Х2); вязкость кормосмеси (Хз); функцией отклика эксперимента, было усилие (Р), регистрируемое тензозвеном 7. Проведение экспериментов осуществляли следующим образом. Подгбтовленную кормосмесь 10, с установленной вязкостью, помещали в корпус 3 установки. Плунжер 2, сменный (имеющий различные диаметры и различные скосы поверхности 10°, 20°, 30°) перемещали вверх в корпусе установки вместе с кормосмесью, при помощи тяги 9, ролика 6, электродвигателя 5 и редуктора 4. Смещение тяги 9 от оси перемещения плунжера фиксировали направляющей 8. Сигнал тензозвена 7 подавался на усилитель 11 и через аналого-цифровой преобразователь на компьютер 12. Определение вязкости кормосмеси осуществляли по формуле Стокса:

Рш-Ркс,д2.8;Па.с (10)

18У

где: рш плотность шарика, кг/м3, ркс - плотность кормосмеси, кг/м3;

V- скорость погружения шарика, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; (1 - диаметр шарика, м. с1ш - 35,75мм = 0,03575м.

Рисунок 2. Схема установки для проверки рабочей гипотезы Общая методика экспериментов представлена сравнительными и оптимизационными экспериментами, проведёнными по стандартным планам Бокса - Бенкена и Рехтшафнера.

Задача общей методики: провести проверку теоретических исследований, сравнить экспериментальный и базовый вариант, а также определить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров экстру дера.

По плану Бокса - Бенкена эксперименты проводились по четырём факторам в трёх уровнях варьирования, по плану Рехтшафнера по пяти факторам в грех уровнях варьирования. Для реализации экспериментальной части была изготовлена экспериментальная установка (рисунок 3), в качестве факторов были приняты: частота вращения (Х^; влажность кормосмеси (Х2); длина фильер (Х3); состав кормосмеси, состоящий из 33% соломы, 33% отрубей, 33% зерноотходов (Х4); угол скоса винтовой поверхности (Х5). Проведение экспериментов по плану Бокса - Бенкена позволило получить исходные данные при прямой винтовой поверхности и изменяемой длине фильер по отношению к сумме диаметров выходных отверстий. В оптимизационных экспериментах осуществляли изменение винтовой поверхности со скосом 5°, 15°, 25° (угол у0 на рисунке 1). В качестве критерия оптимизации был разработан комплексный оценочный показатель, который отражает процесс экструдирования:

У = — ц; кг/кВт-ч (11)

N 4

где: (2 - производительность экструдера, кг/ч; N - мощность, затрачиваемая на

экструдирование, кВт.

Ц = %*42.% (12) где: г| - качественный показатель; г|, - крошимость; ц2 - количество декстринов и крахмала.

Проведение экспериментов начиналось с подготовки компонентов: солому (измельчённую до размеров 35 - 25мм), зерноотходы, отруби и воду смешивали. Работа установки протекала следующим образом: подготовленную порцию кормосмеси подавали в питатель 5 установки, масса подхватывалась винтом 4 и продвигалась по оси экструдера к (оголовку) корпусу фильер 2, под действием созданного давления в корпусе экструдера 3 экструдат выдавливало через отверстия матрицы наружу. При проведении

экспериментов параллельно осуществляли контроль изменения параметров силы тока и напряжения. По окончанию экспериментов проводили контроль качества экструдата. Определение затрат мощиРости и производительности вели по известным методикам, используя серийную измерительную аппаратуру. Для анализа и разбора проб использовалась методика по ГОСТ 50257 - 92, ГОСТ 9268 - 90, определение крошимости осуществлялось на установке ППГ - 2.

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки Качество декстринизации определяли методом введения антронового реактива во взаимодействие с декстринами и сахарами. Точность измерения 0,05 -0,10% при доверительной вероятности 0,9.

В четвёртой главе "Обработка и анализ экспериментальных исследований" отражены результаты исследований в лабораторных условиях.

Результаты, полученные по частному методу проверки рабочей гипотезы, представлены в виде уравнения регрессии:

Р = 5,6 + 0,41 X, - 1,97Х2 + 036Х3 + 0,45Х22; (13)

Доверительные интервалы, приняты по критерию Стьюдента, адекватность проверена по критерию Фишера. Графическая реализация результатов отражена на рисунке 4. Проведённые исследования подтвердили значимость влияния принятых факторов на функцию отклика.

Рисунок 4. Зависимость усилия (Р) по перемещению кормосмеси от факторов Хь Х2, Х-.

1 - от угла скоса плунжера, град;

2 - от ^ора между плунжером и корпусом установки, мм;

3 - от вязкости кормосмеси, Пас

Обработка результатов сравнительного и оптимизационного экспериментов позволила получить уравнения регрессии: по плану Бокса - Бенкена

У = 4,9 + 2,05X1 + 1,77Хз + 0,54Х1Хз + 0,73Х2Хз + 0,45Х2Х4 + 1,58Х,г + + 0,79Х22 + 0,73Х}2 + 0,8Х42; (14)

уравнение регрессии эксперимента, проведённого по плану Рехтшафнера, получено обработкой при помощи программы "МАТЬАВ 6.5": У = 9,06 + 1,83X1 + 0,41Х2 + 0,65Хз + 0,29X4 + 0,30Х5 - 0,58Х,Х5 + 0,63Х2Х4+ +0,32X3X4 + 0,32X4X5 + 1,63Х,г -0,84Х22 - 1,12Х32 + 0,01 X/ - 0,06Х52; (15) Адекватность полученных математических моделей проверили по критерию Фишера. В результате сравнения моделей при помощи программы "МАТЬАВ - 6.5" и !УЫса<1-2000 получили оптимизационные данные: для базового варианта (винтовая поверхность без скоса)

Умах10,284, кг/кВт-ч; Ум!п = 0,549, кг/кВт ч; для экспериментального варианта (поверхность с углом скоса)

Умах = 13,219, кг/кВт-ч; УМы= 5,051; кг/кВт-ч При раскодировке получили оптимальные значения факторов при экструдировании кормосмеси: угол скоса винтовой поверхности 5°; частота вращения винта экструдера бОоб/мин; содержание воды в кормосмеси 50%; соотношение длины и диаметров фильер 2,34; содержание соломы в кормосмеси 33%.

В результате проведённых экспериментов подтверждены теоретические исследования (с коэффициентом корреляции 0,72). Сопоставление результатов экспериментов показало повышение эффективности экструдирования разработанным экструдером на 20%, по сравнению с базовым вариантом. Графическое отображение сравнительных и оптимизационных экспериментов на рисунках (5-8).

(Ж кг/кВт-ч

7,0 6,5 м У

V

у

1 ! 1 ! 1 —тГ

! 1 1 1 М / /

: ! ^ /у

■ : И> ' ' Л 1

| ■ уЛу>Г ^ /1

. . 1 1 1 1 . . ,

Рисунок 5. Зависимость удельной производительности от длины фильер. Из анализа рисунка 5, при изменении длины фильер, получили значения удельной производительности большие при варианте конструкции винта с углом скоса, чем при стан-

■1 чи 4« 44 «1 I »1

Х3

^ и о» дартном варианте.

кг/кВт-ч

Рисунок 6. Зависимость удельной производительности от состава кормосмеси.

Анализ рисунка 6 показал, что | значения удельной производительности большие при варианте II конструкции винта с углом скоса

винтовая поверхность со скосом винтовая поверхность без скоса

Рисунок 7. Зависимость удельной производительности от угла скоса винтовой поверхности и состава кормосмеси. Х4 - состав кормосмеси %,Х5-угол скоса.

0«, г/кВт ч

Рисунок 8. Зависимость удельной производительности от угла

0«,

кгШч

скоса винтовои поверхности и частоты вращения винта. 40-

Х5 - угол скоса, град., Х1 - 38 частота вращения, об/мин

Анализ рисунков 7, 8 показал, что удельная производительность увеличивается при уменьшении угла скоса винтовой поверхности.

Сравнительный анализ зависимости удельной производительности от частоты вращения винта экструдера позволяет сделать вывод, что при теоретическом расчёте изменение удельной производительности имеет меньшее значение, чем в экспериментах (интервалы варьирования от 10 до 60 оборотов в минуту). Установлено, что при уменьшении вязкости кормосмеси происходит увеличение удельной производительности.

Анализ зависимости удельной производительности oi yuia скоса винтовой поверхности ( интервалы варьирования от 5° до 25°) позволил сделать вывод, что теоретически рассчитанные значения удельной производительности имеют близкие значения с экспериментальными (коэффициент корреляции 0,72).

В пятой главе "Технико-экономические показатели работы экструдера" описаны результаты производственной проверки с применением пресс -экструдера марки КМЗ -2 У, методика определения эффективности, приведены исходные данные и результаты расчётов.

Расчеты экономической эффективности показали, что прибыль, при использовании экструдера КМЗ - 2У с модернизированными рабочими органами, по ценам 2004 года, составит 127 рублей на тонну экструдированной кормосмеси.

Общие выводы и предложения.

1. В результате проведённой классификации экструдеров выявлено наиболее перспективное конструктивное решение: эксгрудер с однозаходным винтом, установлено направление дальнейшего совершенствования -изменение конструктивно-режимных параметров.

2. Разработан комплексный оценочный показатель эффективности работы экструдера, который даёт возможность объективно оценить результат работы экструдера и установить связь между затратами мощности на экструдирование, производительностью и качеством получаемого экстру дата.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено влияние выбранных факторов (частоты вращения, влажности кормосмеси, длины фильер, состава кормосмеси, угла скоса винтовой поверхности) на эффекшвность экструдирования. Установлены оптимальные конструктивно-режимные параметры экструдера: частота вращения винта 60 об/мин.; влажность кормосмеси 50%; длина фильеры к сумме диаметров

выходных отверстий 2,34; состав кормосмеси 33% соломы, 33% отрубей, 33% зерноотходов; угол скоса винтовой поверхности 5°.

4. В результате исследований установлена зависимость коэффициента трения и касательного напряжения от физико-механических свойств кормосмеси. Для кормосмеси-монорациона, состоящего из равных частей соломы, зерноотходов и отрубей, коэффициент трения составляет 0,6, касательное напряжение 1,2кПа.

5. Использование разработанных частных методик исследования позволили установить возможность повышения эффективности уплотнения кормов винтовыми конструкциями, изменение их граничных условий; реологическое состояние материала; химические изменения в процессе переработки-экструдирован и и.

6. Экспериментальными исследованиями была установлена крошимость экструда1а, а также его химическое изменение - количество крахмала и декстринов. Крошимость экструлата не превышает 1,5% от стандартных испытаний, количество декстринов возросло на 32%, что обеспечивает лучшую поедаемость корма и увеличивает его переваримоаь живоi ними.

7. Экономический эффект от применения предлагаемого экструдера составит 127 рублей на тонну экструдируемого корма, срок окупаемости при его применении в серийной технологической линии составит 1,4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Курманов А. К., Курманов А. А., Гаврилов Н. В. Обоснование производительности измельчителя с бункерным питателем. Вестник науки КГУ №2,2003-е. 47-49.

2. Г аврилов Н. В., Курманов А. К. К анализу процессов уплотнения материалов. Вестник науки КГУ №4, 2003 - с 42 - 44.

3. Курманов А К.. Гаврилов Н. В. Исследование параметров экструдера по частной методике. Вестник науки КГУ №2, 2004 - с.47 -51.

4. Курманов А. К., Гаврилов Н. В., Хасенов У. Б., Смолякова В. Н. Экспериментальные исследования отдельных конструктивных параметров экструдера. Вестник науки КГУ №2, 2004 - с. 51 - 53.

5. Гаврилов Н. В., Курманов А. К. К обоснованию совершенствования конструкции экструдера. Известия №2, г. Оренбург 2004 - с. 47-49.

6. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. К уточнению частной методики исследования параметров экструдера. ФГОУ ВПО ОГАУ. Часть II, 2004 - с. 147-149.

7. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. Заключение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2003/1620.1). Устройство для экструдирования грубых кормов. - 2 с.

J

V

л

у

Печ. листов 1. Тираж 100 экз. Заказ • Формат 60x90/16 Издат. Центр ВНИИМС. 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29

РНБ Русский фонд

2005-4 44877

✓г f-

» к

w а и я ! :

« й »

»

»

2 7. ' - :::5

Введение.

1. Общее состояние вопроса.

1.1. Классификация и виды кормов, необходимость приготовления кормов.

1.1.1. Использование кормов в рационе.

1.2. Способы приготовления кормов.

1.3. Классификация и анализ устройств для приготовления кормов.

1.4. Анализ исследований по прессованию кормов.

1.4.1. Обзор исследований по определению физико-механических свойств кормов.

1.4.2. Анализ исследований по истечению жидкостей через насадки.

1.4.3. Анализ методов определения качества экструдирования.

Выводы по обзору, постановка цели и задач исследований.

2. Теоретические исследования процесса экструдирования

2.1. Теоретические предпосылки.

2.2. Анализ теоретических исследований по экструзионной обработке кормов.

2.3. Движение потока энергии и материального потока внутри экструдера.

2.4. Исследования параметров экструдера.

3. Программа и методика экспериментальных исследований

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Частная методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Определение вязкости кормосмеси.

3.2.2. Методика проведения исследований по определению физико-механических свойств кормосмеси.

3.2.3. Методика определения качества экструдата.

3.2.3.1. Методика определения крошимости экструдата.

3.2.3.2. Методика определения содержания крахмала.

3.2.3.3. Методика определения количества декстринов.

3.3. Общая методика экспериментальных исследований.

3.3.1. Методика проведения сравнительных экспериментов.

3.3.2.Методика проведения оптимизационных экспериментов

4. Обработка и анализ экспериментальных исследований.

4.1. Результаты по частной методике.

4.2. Результаты сравнительных экспериментов.

4.3. Результаты оптимизационных экспериментов.

4.4. Сопоставление результатов сравнительных и оптимизационных экспериментов.

4.5. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований.

4.6. Определение коэффициента трения и сдвиговых напряжений

4.7. Результаты определения качества экструдата.

5. Технико-экономические показатели работы экструдера.

5.1. Производственная проверка.

5.2. Экономическая эффективность исследуемого экструдера.

Выводы

Интенсивное развитие животноводства, повышение его продуктивности осуществляется путём создания прочной кормовой базы. Одним из решающих условий ускорения темпов роста животноводческой продукции, повышения её качества и снижения себестоимости является создание машин и технологий повышающих эффективность кормоприготовления.

Укрепление кормовой базы должно идти путем ускорения научно - технического прогресса, интенсификации полевого и лугового кормопроизводства, внедрения высокоэффективных технологий выращивания, уборки, переработки и хранения кормов.

Доля малоценных кормов, в качестве отходов полеводства, в рационе животных вместо кормов с естественных угодий в зоне Северного Казахстана возрастает, так как после уборки зерновых культур на полях скапливается большое количество соломы. Для её использования в рационе животных необходимо оборудование, влияющее на изменение состава, например уменьшения доли непереваримой клетчатки, а также обогащения концентрированными кормами, биологически активными добавками и так далее. Это возможно с применением экструдирования - оно позволяет соединить в технологическом процессе разные виды кормов, создать однородную, сбалансированную, удобную при кормлении массу. Температура до 200°С и давление до 25МПа при экструзионной переработке позволяют снизить негативные факторы: микрооб-семенённость бактериями, гнилостные включения и другое. Экструдеры по производству продуктов из агросырья, на основе зерновых предназначены как для технологии варочной экструзии, когда температура превышает 100°С так и для получения продуктов методами тепловой (70.90°С) и холодной (до 40°С) экструзии. При экструдировании с давлением сжатия ЮМПа в экструдере возникают большие силы сдвига, благодаря чему появляется возможность формовать необходимую структуру из белков растительного происхождения, что невозможно в условиях традиционной технологии тепловой обработки.[1] Однако экструдирование - очень энергоёмкий процесс. Поэтому повышение производительности экструзионной техники, уменьшение энергоемкости является актуальной задачей.

Наиболее перспективное конструктивное решение - одношнековый, одно-заходный экструдер, отличающийся простотой конструкции, надёжностью, эффективностью. Тем не менее в его совершенствовании также есть существенные резервы.

В результате анализа конструкций одношнековых экструдеров нами была разработана рабочая гипотеза о возможности повышения эффективности экс-трудирования за счёт изменения винтовой поверхности шнека (торец винта изготовлен со скосом в направлении фильер). Кроме того, отношение длины фильер к диаметру должно быть равно трём — четырём. Таким образом, целью исследования является повышение эффективности экструдирования кормов путём совершенствования конструкции экструдера. Объектом исследования является процесс экструдирования кормов. Научная новизна в работе: определены закономерности изменения процесса экструдирования при переработке кормосмеси, получены аналитические зависимости производительности и энергоёмкости от конструктивно-режимных параметров (частоты вращения винта, зазора между корпусом и винтом, угла скоса винтовой поверхности, отношения длины фильер к диаметру); разработан комплексный оценочный показатель эффективности экструдирования; определены коэффициенты трения и сдвига, а также качественные показатели экструдирования. Практическую ценность представляет конструкция экструдера с обоснованными в работе винтовой поверхностью шнека, длиной фильер и его режимными параметрами.

Результаты исследований внедрены в хозяйстве "ОПХ Заречное" Костанай-ской области Республики Казахстан. Общие положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях, в том числе и международной, в Оренбургском государственном аграрном университете (г. Оренбург, Российская Федерация, 2003 — 2004 год), на ежегодных научных конференциях, в том числе посвященной 50-ти летию освоения целинных и залежных земель, где была отмечена грамотой, в Костанайском государственном университете (г. Костанай, Республика Казахстан, 2001 - 2004). По материалам диссертации опубликовано шесть работ, получено положительное заключение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2003/ 1620.1 от 27.11.03 ./97/). Данная работа выполнена в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ "Совершенствование машин для кормоприготовле-ния".

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включая список литературы из 98 наименований, 43 рисунка, 12 таблиц и шести приложений.

Выводы:

1. Анализ исследований, посвященных экструдерам, позволил установить возможные пути повышения эффективности работы экструдера: совершенствование конструкции и оптимизацию режима его работы. В результате проведённой классификации экструдеров выявлено наиболее перспективное конструктивное решение: экструдер с однозаходным винтом. В соответствии с этим разработана новая конструкция экструдера.

2. Разработан комплексный оценочный показатель эффективности работы экструдера, который даёт возможность объективно оценить результат работы экструдера и установить связь между затратами мощности на экструдирование, производительностью и качеством получаемого экструдата.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено влияние выбранных факторов (частоты вращения, количества воды в кормосмеси, отношения длины фильер к сумме диаметров отверстий, количества соломы в кормосмеси, угла скоса винтовой поверхности) на эффективность экструдирования. Установлены оптимальные конструктивно-режимные параметры экструдера: частота вращения винта 60 об/мин.; количество воды в кормосмеси 0,46JI, отношение длины фильеры к сумме диаметров отверстий 2,34; состав кормосмеси 33% соломы, 33% отрубей, 33% зерноотходов; угол скоса винтовой поверхности 5°.

4. В результате исследований установлена зависимость коэффициента трения и касательного напряжения от физико-механических свойств кормосмеси. Для кормосмеси-монорациона, состоящего из 33% соломы, 33% зерноотходов, 33% отрубей коэффициент трения составляет 0,6, касательное напряжение 1,2кПа.

5. Использование частных методов исследования позволили установить: возможность повышения эффективности уплотнения кормов винтовыми конструкциями, изменение их граничных условий; реологическое состояние материала; химические изменения в процессе переработки - экструдировании.

6. Экспериментальными исследованиями была установлена крошимость экструдата, а также его химическое изменение - количество крахмала и декстринов. Крошимость экструдата не превышает 1,5% от стандартных испытаний, количество декстринов возросло на 32%, что обеспечивает лучшую поедаемость корма и увеличивает его переваримость животными.

7. Экономический эффект от применения предлагаемого экструдера составит 127 рублей на тонну экструдируемого корма, срок окупаемости от его применения в серийной технологической линии составит 1,4 года.

1. Полищук В. Ю., Короткое В. Г., Зубкова Т. М. Проектирование экструде-ров для отраслей АПК. Екатеринбург 2003. — 200с.

2. Венедиктов A.M. и другие. Кормление сельскохозяйственных животных. Справочник. М. Росагропромиздат.1988 323 с.

3. Завражнов А.И., Николаев Д.И. Механизация приготовления и хранения кормов. М. ВО Агропромиздат 1990 303 с.

4. Козлов А.С., Широв Ю.П. Сборник научных трудов. Новое в технологии приготовлении и скармливании кормов животным. Алма ата 1993 с. 56-60.

5. Семенякин В.И. и другие. Перспективы использования соломы. Кормопроизводство. 1987 №5 — с. 31.

6. Зубрилин А.А., Мишустин Е.Н. О силосе и способах силосования кукурузы и других культур. М. 1962 с. 162

7. Резник Е.И., Добрянцов Н. К. Переработка грубых кормов. Сельский механизатор. 1983 №2 с. 20 - 22.

8. Нагорный В.Т. и другие. Корма в брикетах и гранулах. Алма ата Кайнар 1988-е. 164

9. Курманов А.К. и другие. Сборник научных трудов. Приготовление соломы зерновых культур. Алма ата 1993 — с. 65

10. Федосеев В.Б., Егоров В.Г., Мурадханян Л.К. Механизация уборки и подготовки соломы к скармливанию. Московский рабочий 1983 с. 5.

11. Зафрен С. Я. Как повысить питательную ценность соломы. М. Колос 1983— с. 101.

12. Стейнифорд А. Р. Солома злаковых культур. М. Колос 1983 с. 25 - 28

13. Рыжов С.В. Механизация переработки соломы на корм. М. Колос 1983 -с. 5-7.

14. Гноевой В.И., Филатов С.И. К теории физической и химической обработки соломы. Вестник с. х. науки 1980 №2 с. 109 - 114.

15. Никитин В.М. Лигнины. М. Госхимиздат 1961 с. 142 - 159.

16. Бурмистрова М.Ф., Комалькова Т.К. и другие. Физико-механические свойства с. х. растений. М. Сельхозиздат 1956 с. 105.

17. Фрей Вислинг. Мюлотоллор А. Ультраструктура растительной клетки. М. Мир 1968-с. 140-177.

18. Зерновые, зернобобовые и масличные культуры. М. Издательство стандартов. 1990-214 с.

19. Мотовилов К. Я. и другие. Экспертиза кормов и кормовых добавок. Пособие. Новосибирск. Сибунивериздат 2004 240 с.

20. Миончинский П. Н., Кожарова А.С. Производство комбикормов. М. Колос 1981 -с. 10-14.

21. Савин Д.К. и другие. Механизация кормоприготовления. Алма ата 1970 -с. 5-19.

22. Кукта Г. М. Технология переработки и приготовления кормов. М. Колос 1978-236 с.

23. Шаршунов В. А. Механизация кормоприготовления. МЭСХ №9 1999 — с. 12.

24. Алёшкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. М. Агропром-издат 1985-с. 27.

25. Кулаковский И. В., Кирпичников Ф. С., Резник Е. И. Машины и оборудование для приготовления кормов. М. Россельхозиздат 1987 — с. 39

26. Боярский Л. Г. Производство и использование полнорационных кормовых смесей. М. Колос 1976 с. 27.

27. Острецов В. Н. Обоснование, разработка и исследование технологии брикетирования методом запекания. Автореферат диссертации к. т. н. Л. 1980 -с. 18.

28. Алимов Т. К., Шекалева Н. А. Современные термо-баро и химические способы обработки соломы. Сельское хозяйство за рубежом 1976 №3 — с. 33-35.

29. Резник Е. И. Перспективы технологии и установки для обработки соломы щёлочью за рубежом. Тракторы и сельхозмашины. 1980 №8 — с. 36 — 68.

30. Богданов Г. Н., Бугаёв А.Г., Шевченко Н.Г. Повышение питательности соломы используемой в составе соломенно-зерновых полнорационных смесей. Научно-технический бюллетень НИИ животноводства лесостепи и полесья УССР 1975 выпуск 13 - с. 16 - 19.

31. Шевченко Н. А. Использование соломенно-зерновых смесей при откорме крупного рогатого скота. Животноводство 1975 №1 с. 45 —47.

32. Передня В. И. Механизация приготовления кормосмесей. Минск Урожай 1982-с. 86.

33. Зельнер В. Р., Коноплёв Е. Г. Приготовление и использование полнорационных кормов в промышленном животноводстве. ВНИИТЭИСХ, М. 1972.

34. Шестерня В. Е. Электротехнологические методы обработки кормов. Сборник научных трудов. Бел СХА. Горки. 1983 выпуск 100 — с. 23 — 27.

35. Жушман А. И., Карпов В. Г., Коптёлова Е.К. . Новое в технике и технологии производства пищевых продуктов экструзионным методом. М. 1991 -38 с.

36. Материалы экспозиции фирмы "Де Смитке" (Дания), на международной выставке. Сельхозтехника 78. М. 1978. 25с.

37. Жушман А. И. и другие. Изменение свойств и структуры кукурузных крахмалов и муки при экструзионной обработке. М. Сахарная промышленность 1985 №3 с. 39 - 42.

38. Мельников С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л. Колос 1978-320 с.

39. Белянчиков Н. Н., Смирнов А. И. Механизация животноводства и кормо-приготовления. М. ВО Агропромиздат 1990 с. 189 - 195.

40. Широв Ю. П. Разработка и обоснование технологического процесса экструдирования ощелочённой соломы. Автореферат диссертации к. т. н. Челябинск 1991 — с. 2.

41. Новые аспекты применения конических экструдеров в пищевой промышленности. Проспекты фирм "CINCINATI", "MI LACPON" Австрия 1990 с. 10. Новые экструдеры. Проспект фирмы "Walter Maschinen Bau" Ф.Р.Г. 1989-с. 5.

42. Экструдеры для пищевой промышленности. Проспект фирмы "Mapipianti" Италия 1990 с. 4.

43. Американская техника и промышленность. Сборник рекламных материалов. 1975 ВО Внешторгреклама с. 86, 87. Экструдеры. Проспект фирмы "Buchler MIAG" С.Ш.А. 1990 - с. 7.

44. Jamada Т, Suzuki К и другие. GPC-profile change of potati starches with extrusion processing. Starke. 1990 №6. c. 217 - 223.

45. Olett A. L., Parner R., Miles M. J., Mortis W. J. Microsructural changes during the TWIN-SCREW exstrusion cooking of maize grits. Carbohydrat polimers. -1990. N1. c. 69-84.

46. Aoe S., Nakaoka M. Ido K., Tamai J., Ohta F. Availcebility of dietary fiber in extrudet wheat bran and apparent digestibilliti in rants of coexisting mitrens. Sereal chem. 1989. №4. - c. 252 - 255.

47. Asp N. G. Nutritional Aspects What Happens to the different materials at Different Temperatures. Extrusion Technology for the Food Industry. Под редакцией С. O'Connor. London and New York. Elsevier Applied science. — 1987. c. 16-22.

48. New products of extrusion. Food Engineering International. 1988. №7, №13. -c.49-50, 53-54.

49. Extrusion machines use to step. Process chiltons. Food Engineering International. 1988 №6. - c. 54 - 55.

50. Гаврилов H. В., Курманов А. К. К обоснованию совершенствования конструкции экструдера. Известия №2 г. Оренбург 2004 — с. 47

51. Гаврилов Н. В., Курманов А. К. К анализу процессов уплотнения материалов. Вестник науки №4 Костанай 2003 с.42.

52. Дерягин Б. В. Природа молекулярных сил и их значение в науке и практике. М. 1956-с. 59-77.

53. Особов В. И. Анализ процесса уплотнения растительных материалов шне-ковым прессом. Научные труды ВИСХОМ. М. 1969 с. 263 - 277.

54. Особов В. И. Теоретические и экспериментальные исследования процесса брикетирования сена. Научные труды ВИСХОМ. М. 1962 выпуск 39 -с. 113 118.

55. Булынко М. Г., Иванов В. Н. Брикетирование торфа. М. Госэнергоиздат 1962-с. 63-65.

56. Пакулев Б. Н. О технологии кормоприготовления за рубежом. Овцеводство 1975 №10- с. 37-40.

57. Симакин Ю. М. О сцеплении частиц в кормовых брикетах. Совершенствование кормовой базы Ростовской области. Сборник трудов Донского СХИ. Персиановка 1982 - с. 35 - 40.

58. Кормщиков П. А. Поточная технология кальцинированной соломы. Сельское хозяйство России. 1975 №11 с. 21 -30.

59. Кормщиков П. А. Кальцинирование соломы. М. Россельхозиздат 1974 — с. 134.

60. Елпатьевский Д. В. Химическая обработка и консервирование грубых кормов. Саратов 1968-с. 88 102.

61. Гнездилов Ю. Н. Исследования шнековой камеры для прессования соломы при комбайновой уборке. Автореферат диссертации к. т. н. М. 1957 с. 16.

62. Особов В. И. Машины для брикетирования растительных материалов. М. Машиностроение 1969 с. 59 — 69.

63. Игнатьевский Н. Ф. Анализ энергетики шнекового брикетировщика. Сборник научных трудов ЛСХИ. Л. 1980. т. 391 с. 56 - 59.

64. Бодиловский А. В. Влияние геометрии шнекового механизма на энергоёмкость процесса прессования. Сборник научных трудов ЦНИИМЭСХ. Минск 1980 с. 139-151.

65. Адаменис И. Технология приготовления брикетов и эффективность их использования при откорме К.Р.С. 1976 с. 99 — 101.

66. Доржиев А. В. Определение коэффициента трения движения стебельных кормов. Сборник научных трудов ЧИМЭСХ. Челябинск 1977 638 с.

67. Красников В. В. Коэффициент трения кукурузного силоса о сталь. Труды ВИЭСХ. Электрификация с. х. 1964. Т. 13 с. 116 - 136.

68. Мухин В. А. Определение коэффициента трения движения стебельных кормов. Саратов 1977 —с. 12.

69. Братерский Ф. Д., Пелевин А. Д. Оценка качества сырья и комбикормов. М. Колос 1983-с. 39-44.• 70. Роговой В. Д. Исследования физико-механических свойств соломы озимой пшеницы. Киев 1969 с. 29 - 31.

70. Красников В. В. Краткий справочник по физико-механическим свойствам с. х. грузов. Саратов 1971 с. 81.

71. Бурмистрова М. Ф. и другие. Физико-механические свойства с. х. растений. М. Госиздат с. х. литература 1958 с. 59, 107.

72. Башта Т. М. и другие. Гидравлика, гидромашины и гидропривод. Издательство Машиностроение 1982 — с. 106.

73. Штернлихт Д. В. Гидравлика. Энергоиздат. М. 1984 с. 218

74. Комбикорма. Справочник по качеству сырья и готовой продукции. Алма ата. Кайнар. 1983 - с. 7.

75. Груздев И. Э., Мирзоев Р. Г., Янков В. И. Теория шнековых устройств. JL издательство Ленинградский университет. 1978 — с. 3 — 65.

76. Карташов Л. П. Полищук В. Ю., Зубкова Т. М. . Моделирование процесса экструдирования в одношнековых прессующих механизмах. Техника в с. х. №6 1998-с. 13.

77. Карташов Л. П., Полищук В. Ю., Зубкова Т. М. Уточнение математической модели экструдирования кормов в одношнековых прессующих механизмах. Техника в с. х. №2 1996 — с. 19.

78. Полищук В. Ю. Особенности шнекового прессующего механизма экструдера. Тракторы и с. х. машины 1993 №5 — с. 19.

79. Широв Ю. П. Результаты исследований технологии химической обработки соломы винтовым прессом. Сборник научных трудов Алма ата 1987 — с. 78 - 84.

80. Перов А. А. Термодинамическая обработка комбикормов в экспантрудере. Механизация, электрификация с. х. №9 2003 с. 9.

81. Антипов С. Т. и другие. Машины и аппараты пищевых производств. М. Высшая школа 2001 с. 642 - 650.

82. Карташов Л. П., Полищук В. Ю. Системный синтез технологических объектов АПК. Екатеринбург: УрО РАН. 1998 185 с.

83. Экспериментальные методы исследований деформаций и напряжений. Справочное пособие. Киев. Наукова думка. 1981 с. 12.

84. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. Исследования параметров экструдера по частной методике. Вестник науки КГУ №2 2004 с. 47.

85. Курманов А. К., Гаврилов Н. В., Хасенов У. Б., Смолякова В. Н. Экспериментальные исследования отдельных конструктивных параметров экструдера. Вестник науки КГУ №2 2004 с. 51.

86. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. К уточнению частной методики исследования параметров экструдера. ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет. Часть II 2004 с. 147.

87. Курманов А. К., Курманов А. А., Гаврилов Н. В. Обоснование производительности измельчителя с бункерным питателем. Вестник науки КГУ №2 2003 — с.47.

88. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. М. Высшая школа 1978-с. 116.

89. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М. Машиностроение 1980. София: техника — 310 с.91.3инков Р. JI. Механика насыпных грунтов. М. Машиностроение 1964 -с. 15

90. Дженникс Э. В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. М. Мир 1968- 18 с.

91. Карташов JI. П., Зубкова Т. М. Об оценке качества экструдирования. Техника в с -х. 2002-е. 19.

92. Колотушкина А. П. Ценообразование и технический прогресс в с. х. машиностроении. М. Машиностроение 1976 — с. 165.

93. Информация о ценах на товары и услуги. Челябинск 2002 — с. 216.

94. Информация о ценах на материалы. Челябинск 2003 — с. 65.

95. Курманов А. К., Гаврилов Н.В. Заключение о выдаче патента на изобретение (заявка №2003/1620.1). Устройство для экструдирования грубых кормов. 2 с.

96. Гоберман JI. А. Основы теории, расчёта, проектирования строительных и дорожных машин. М. Машиностроение 1998 с. 39.

97. Yl, Y2, Y3 значение усилия по трём повторностям Yu - среднее значение усилия по перемещению плунжера Yiu - сумма усилиий Yl, Y2, Y3