автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режима работы шестеренного гранулятора кормов

004618701

На правах рукописи

Щербина Андрей Витальевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ, ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ШЕСТЕРЕННОГО ГРАНУЛЯТОРА КОРМОВ

Специальность 05.20.01 - Технология и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЛЕН 2010

Зерноград - 2010

004618701

Диссертация выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Богомягких Владимир Алексеевич; кандидат технических наук, доцент Подкользин Юрий Васильевич

Ведущая организация:

Донской государственный аграрный университет (ФГОУ ВПО ДонГАУ п. Персиановский Ростовской области)

Защита состоится

2010 года в

часов на заседании диссер

тационного совета ДМ 220. 001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинже нерной академии (АЧГАА) по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области ул. Ленина, 21 (аудитория 201, корпус 5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА. Автореферат размещен на сайте www.achgaa.ru. Автореферат разослан «_»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время благодаря принятым в России национальным проектам большое внимание отводится сельскохозяйственному производству. Увеличение продуктов растениеводства и животноводства тесно связано с совершенствованием заготовки и хранения кормов. Начата модернизация не только специализированных предприятий промышленного типа, но и общественных, и частных аграрных хозяйств, поэтому актуальным является разработка современного передового оборудования для массового применения в индивидуальных фермерских и кооперативных предприятиях. Значительная роль принадлежит оборудованию переработки зерновых отходов и заготовки из них кормов. Среди них актуальны исследования процесса прессования сельскохозяйственных материалов, в частности, гранулирования кормов.

Известны сотни возможных конструкций и теоретических схем различного вида прессов, грануляторов и брикетировщиков. Запатентовано большое количество технических решений устройств для обработки различных материалов давлением. Однако до сих пор нет однозначного решения о наиболее эффективной конструктивно-технологической схеме пресса. Отсутствуют рекомендации по наиболее предпочтительному использованию того или иного типа прессового оборудования в конкретных производственных условиях.

Цель исследования состоит в снижении энергоемкости процесса гранулирования корма оптимизацией конструктивно-технологической схемы шестеренного пресса, его параметров и режима работы.

Объест исследования. Процесс гранулирования кормов шестеренным прессом с внутренними вальцами.

Предмет исследования. Закономерности гранулирования кормов шестеренным прессом с внутренними вальцами и его режим работы.

Научная новизна состоит в обосновании цикличности сжимающих воздействий на гранулируемый корм, что ускорит релаксацию напряжений в гранулах, в конструктивно-технологической схеме, параметрах и режиме работы шестеренного пресса с горизонтальной матрицей и внутренними вальцами, новизна совершенствования которого подтверждена четырьмя патентами на изобретение и патентом на полезную модель, реализация которой позволила:

• оценить физико-механические свойства комбинированных кормов и исследовать их влияние на процесс упрочнения гранул;

• установить зависимости деформирования сырья между матрицей и внутренними зубчатыми вальцами от соотношения их размеров, удельных затрат энергии и качества получаемых гранул;

• получить уточненную математическую модель процесса вовлечения корма в зону сжатия;

• обосновать подачу сырья и частоту сжимающих воздействий в шестеренном прессе для изготовления качественных гранул.

Практическая значимость работы заключается в разработке конструктивно-технологической схемы шестеренного пресса, обосновании параметров и режима его работы, использование которых позволяет:

• снизить энергоемкость гранулирования кормов шестеренным прессом с внутренними вальцами;

• гранулировать корма с минимальными затратами энергии и должным качеством на шестеренном прессе с новыми техническими решениями по компоновке матрицы и внутренних вальцов;

• увеличить производительность пресса для изготовления кормовых гранул.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Методика сравнительной оценки конструкций шестеренных прессов.

2. Закономерности деформирования корма в шестеренном прессе с горизонтальной активной матрицей и внутренними вальцами.

3. Модель подачи корма в пресс с учетом влияния зубчатого венца матрицы и вальцов.

4. Рациональные параметры и режим работы шестеренного гранулятора с двумя вальцами.

5. Уточненная методика расчета шестеренного пресса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» и ФГОУ ВПО «Ставропольский ГАУ». Результаты исследований демонстрировались в экспонатах выствки «Интерагромаш -2008» (серебряная медаль) и агропромышленной выставки «Ростов гостеприимный -2010» (золотая медаль). Разработанная конструкция пресса и рекомендации по результатам исследований приняты к производству ООО «Агропродмаш» и внедрены в ООО «ЮгАгроХолдинг», ООО « ДонМаслоПродукт» Ростовской области.

Публикация результатов исследования. Результаты исследований опубликованы в 16 печатных работах, из которых 1 статья в издании из перечня ВАК, 4 патента на изобретение и патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 150 наименований, в том числе 6 на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены вынесенные на защиту основные положения.

В первой главе «Обзор исследований технологического процесса гранулирования кормов и прессового оборудования. Цель и задачи исследования» даны анализ результатов научных исследований процессов производства твердых гранул из сыпучего сырья растительного происхождения, обзор и анализ исследований режима работы прессующих устройств, анализ исследований шестеренных грануляторов.

Вопросам уплотнения растительных материалов посвящены исследования В.П. Горячкина, С.А. Алферова, М.А. Пустыгина, В.И. Особова, И.А. Долгова, В.Ф. Некрашевича, Г.Я. Фарбмана, C.B. Мельникова, Д.И. Николаева, Ю.В. Подколь-зина, X. Скальвейта, В. Буссе, Й.Л. Батлера, Х.Ф. Макколли, Е. Гиакомелли и других.

По их данным следует:

- общая теория формирования твердых гранул из сыпучего сырья разработана в достаточной степени;

- исследований по обоснованию наиболее рационально организованного процесса упрочнения гранул в канале прессования после сжатия нет;

- отсутствуют рекомендации по предпочтительному использованию того или иного типа прессового оборудования в конкретных производственных условиях;

- применяемые кольцевые прессы энергоемки, а из всего многообразия шестеренных прессов самый выгодный до настоящего времени не определен;

- в аналитическом исследовании шестеренных прессов схемы с внутренним расположением нескольких прессующих вальцов не анализировались, и рекомендации о соотношении параметров зубчатой матрицы и зубчатых вальцов отсутствуют.

Рабочая гипотеза. Порционная подача корма при формировании гранулы несколькими циклами позволит ускорить релаксацию напряжений в сжатой среде и увеличить производительность пресса, а многократность обработки сырья возможна не только повышением частоты вращения матрицы, но и установкой нескольких прессующих вальцов внутри нее.

В задачи исследования входило:

• обосновать критерии сравнительной оценки конструкций шестеренных прессов и выбрать схему гранулятора средней производительности;

• исследовать влияние физико-механических свойств кормовых смесей на интенсивность упрочнения;

• определить взаимосвязи технологических и конструктивных параметров гранулятора с активной матрицей и внутренними вальцами горизонтального расположения;

• исследовать влияние частоты сжимающих воздействий при формировании гранул на затраты энергии и характеристики готовой продукции;

• обосновать ресурсосберегающий режим работы пресса, разработать дополнения к методике расчета шестеренного пресса и оценить экономическую эффективность использования шестеренного гранулятора кормов.

Во второй главе «Теоретический анализ работы шестеренного пресса с горизонтальной активной матрицей и внутренними прессующими вальцами» проведен сравнительный анализ рабочих органов пресса. Главным критерием принята удельная производительность пресса в пересчете на единицу полезной площади рабочих элементов - матриц и вальцов, которые имеют каналы прессования. Вторым критерием для сравнительной оценки является материалоемкость рабочего органа. Сложность привода оценивалась как дополнительный аргумент при ранжировании прессов с различными схемами компоновки.

В качестве базовой конструктивно-технологической схемы по результатам сравнительного анализа выбран перспективный горизонтальный одноматричный пресс выдавливающего типа со стандартным, но усовершенствованным профилем зубчатого венца. Рабочий процесс шестеренного гранулятора имеет следующие отличительные особенности:

- захватывающая способность зубчатых поверхностей матрицы и вальца увеличивается в сравнении с гладкими их поверхностями;

- зуб вальца входит во впадину матрицы, т.е. в канал прессования, на высоту головки зуба, поэтому основное сжатие под существенным давлением осуществляется только в створе площади канала прессования;

- за счет ускоренного процесса релаксации напряжений в сжатом материале можно при одной и той же длине канала прессования увеличить подачу сырья, скорость прохождения вдоль канала прессования и тем самым повысить производительность пресса;

- полностью исключается трение под большим давлением на перемычках, поэтому потери энергии теплом в окружающую среду почти полностью исключаются.

Источниками повышения производительности шестеренного пресса являются: доля площади каналов прессования может быть увеличена на матрице; увеличивается масса впрессованного сырья за счет повышенной захватывающей способности зубчатых поверхностей и скорости прохождения ее по каналу прессования за счет ускорения процесса релаксации напряжений в корме; удваивается и число воздействий на материал за один оборот матрицы за счет установки двух прессующих вальцов. Затраты энергии на гранулирование материала в прессе шестеренного типа обусловлены только технологически оправданными воздействиями. Доля непроизводительных затрат ожидается несущественной.

В процессе анализа различных прессов шестеренного типа первична задача выбора оптимальной схемы его компоновки. В разработанной методике сформулированы два основных и третий дополнительный критерии оптимизации.

Для сравнения отобраны следующие схемы шестеренных прессов выдавливающего типа с плунжерным воздействием на материал: 1 - два равновеликих колеса матрицы внешнего зацепления; 2 - большое колесо-матрица и малое прессующее колесо внешнего зацепления; 3 - внешняя матрица и внутренний прессующий валец; 4 - внешняя матрица и два внутренних прессующих вальца. Очевидно, что эти схемы могут быть в двух вариантах каждая. Это обусловлено условием передачи крутящего момента, так как активной может быть матрица или прессующий валец.

Ширину рабочего колеса приняли для одного ряда каналов прессования. Номер рангового места назначен от варианта с большей производительностью к варианту с наименьшей производительностью в долевом отношении. Производительность устройств определена по формуле С^хК*8, (1) где q - удельная производительность проходного сечения канала прессования, кг/с.см2; К - число каналов прессования; Б - площадь канала прессования, см2.

Вторым критерием сравнительной оценки является материалоемкость рабочего органа. Введены следующие допущения: рабочие колеса и матрицы рассматриваем как кольца соответствующих диаметров, а прессующие вальцы как сплошные диски, диаметром в одну треть от делительного диаметра соответствующей матрицы.

Формулы оценки материалоемкости для первого варианта 8[ = 4лЯ2/3 (2); для второго варианта Бг = 4тс112/3 + 4 7с112/9 3 (3); для третьего варианта Бз = 4лК2/3+ + 4я112/9 (4); для четвертого варианта 84 = 4яЯ2/3 + ЗтсЯ /9. (5)

Схема рабочего органа шестеренного пресса диктует условия и для выбора передаточных механизмов от электродвигателя к приводимому элементу. Поэтому третьим критерием оценивались достоинства и недостатки по общему передаточному числу трансмиссии. Устройства с меньшим передаточным числом предпочтительнее прессов с более сложным приводом, что отображено в сравнительной таблице 2 знаками плюс или минус.

1,2

5 Я £ а о я

0,8

0,6

л ч и н

и о

X £

0,4

0,2

Деформация корма в прессе с внутренними вальцами. Толщина поступающего в зазор слоя корма: Нмахс = II - [г2 + (Я - г)2 - 2г(Я - г)соз(л - ф)]0'5. (6)

Угол начала сжатия материала: а= агссоБ [(К - г + гсозф)/(11 - Н)]. (7)

Относительная деформация корма определяется формулой:

8=1- [(ЫзтоЛ/Бшер) + г] / {Я - [г2 + (Я - гу - 2г(Я - г)соб(я - ф)]0'5}, (8)

графики которой представлены на рисунке 1.

Данные этих графиков свидетельствуют о том, что деформация кормов нарастает быстрее при уменьшении соотношения радиуса вальца к радиусу матрицы. Следовательно, момент достижения заданной плотности гранулы зависит не только от начальной насыпной массы прессуемого материала, но и от параметров матрицы и вальца.

Давление и работа сжатия материала в шестеренном прессе определяются зависимостью между давлением прессования и плотностью

г/Я=0,15

=0,30 —

Г/К:

г/Я=0,45

а 3/4а 1/2а 1/4а 0 Доля угла сжатия корма, а

Рисунок 1 - Графики зависимости относительной деформации корма от угла его сжатия

сырья экспоненциального вида: Р = Ро (е^ - 1), (9)

где \|/ - относительное изменение плотности материала.

Относительное изменение плотности материала рассчитывается по соотношению: \|/ = (р - роУро. (Ю) Интегрируя зависимость до конечной плотности, получим работу сжатия:

=1Р0 (еа¥ - 1) <1x1/ = Р0 [(е^ - е0)/а - у] = Р0 [(еа¥ - 1)/а - у]. (11)

Уд. работа сжатия материала: '№уд = Р0 [(еау — 1 )/а — у]/т, где т - масса, кг. (12) Угол канала прессования навстречу вращению матрицы: у = агсзт[(11 - фта/г]. (13) Значение этого угла зависит от относительной деформации и соотношения радиусов матрицы и вальца. Для вальцов с малым радиусом угол ориентации оси каналов прессования по отношению к радиальному направлению матрицы больше, чем для более крупных вальцов.

При анализе сил в рабочем органе и определении мощности привода шестеренного пресса нормальная сила давления найдена интегрированием давлений по площади дуги: N = к! ВгфРо [(е™* -1)/а - у)]. (14) Тогда сила трения на поверхности прессующего вальца будет:

F = fk1BrcpPo[(eav-l)/a-Y)]. (15)

Момент сил на прессующем вальце равен произведению сил трения на радиус внешней поверхности вальца:

М = Вг2 фРо [(еау-1 )/а - у)]. (16)

Крутящий момент на матрице должен учитывать количество прессующих вальцов внутри нее и передаточное отношение кинематической связи матрицы и вальцов: Мм = К£кг Вг2 фР0 [(еау-1)/а- (17)

Мощность привода пресса без учета потерь на холостой ход и КПД трансмиссии определится по формуле

Кпр = со КАс, Вг2 фР0 [(е"" -1)/а - \|/](Я/г). (18)

Упрочнение гранул в канале прессования. Общий характер процесса релаксации напряжений в среде описывается формулой Максвелла: ст = стоеСп , (19)

где ст - напряжение конечное, Па; а0 - напряжение начальное, Па; г| - вязкость среды, Па.с; в - коэффициент Пуассона, Па; I - продолжительность процесса, с.

Управляющие факторы

Рисунок 2 - Параметрическая схема исследования процесса упрочнения гранул

в канале прессования

Процесс исследован нами по влиянию намеченных факторов на каждый из выбранных критериев. Энергоемкость процесса назначена ограничивающим показателем процесса релаксации напряжений в сжатой среде. Суть последующего экспериментального исследования заключалась в увеличении кратности нагружений материала при более мелком дроблении подачи сырья. Эксперимент продолжается до тех пор, пока возрастает производительность пресса. Как только энергоемкость процесса начинала возрастать, дальнейшее увеличение кратности признавалось бесперспективным.

В третьей главе «Программа и методика исследования процесса гранулирования корма шестеренным прессом с внутренними прессующими вальцами» изложена программа и методика экспериментального исследования шестеренного пресса и процесса производства гранул им.

Программой экспериментов предусматривалось:

1. Оценить влияние физико-механических свойств корма на интенсивность упрочнения гранул в канале прессования.

2. Проверить закономерности сжатия и определить численное значение уточняющего коэффициента для основных зависимостей: подачи сырья в зону сжатия и изменения относительной деформации.

3. Оптимизировать кратность нагружения среды и дозированной подачи сырья по минимальным затратам на формирование гранул.

4. Обосновать рациональный режим работы гранулятора.

В экспериментальных исследованиях применялись как одно- так и многофак-' торные опыты.

Исследования проводились на установках по рисункам 3-6 в соответствии с требованиями на испытания сельскохозяйственной техники РД 10.19.5-90 «Машины и оборудование для брикетирования и гранулирования кормов. Методы испытаний».

Рисунок 3 - Общий вид пресса и рабочего органа с двумя вальцами

Рисунок 4 - Рабочий орган с одним внутренним вальцом и каналами прессования 9,42x9,42 мм и 4x4 мм

Рисунок 5 - Валец в сборе на эксцетриковой оси, матрица и обечайка вальца Используемые рабочие органы пресса позволили провести эксперименты по различным схемам сборки и с планируемыми параметрами.

Методикой экспериментального\ исследования процесса релаксации на-\ пряжений в сжатом комбикорме преду-| сматривалось сжатие кормбикорма на| винтовом прессе с тензометрическим) штемпелем. Конечная плотность устанавливалась 1 ООО кг/м3. Время выдержки под давлением принято равным 60 секундам. Запись диаграммы напряжения осуществлялась самописцем в течение всего периода выдержки. Масса навески корма -50 граммов.

а,

Рисунок 6 - Винтовой пресс

МПа

V --"V Л ! • ; ^ \--

По методике определения долевого участия зубчатого венца в подаче и деформации сырья в рабочем органе шестеренного типа предусмотрено проведе-; ние факторного эксперимента. Изменяющимися факторами в нем избраны доля размера канала прессования по отноше-| нию к шагу стандартного зацепления и отношение радиуса прессующего вальца к радиусу матрицы.

Доля канала прессования определе-| на по формуле С = &1\, (20)1

Рисунок 7 - Зависимость напряжения от продолжительности выдержки корма в канале

где с1 - размер камеры прессования (диаметр или сторона квадрата), мм; I того зацепления, мм; X = ят.

■ шаг зубча-

Критерием принято отношение действительной толщины слоя сырья, поступающего в зазор между вальцом и матрицей, к аналитически установленной для гладких поверхностей.

План активного факторного эксперимента выбран ортогональным второго порядка для двух факторов. Пределы варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Варьирование факторов в эксперименте

п/п Фактор Кодир. обозначение Нижний уровень Средний уровень Верхний уровень

1 С = ёЛ X, 0,51 1 1,51

2 г/Я х2 0,4 0,6 0,8

Методика обоснования рационального режима работы гранулятора с зафикси-\рованной частотой сжимающих воздействий на корм предусматривала проведение | детерминированных экспериментов с опытным определением производительности пресса и энергоемкости процесса при контроле качества гранул.

Частота сжимающих воздействий в прессе изменялась установкой электродвигателя привода с синхронным числом оборотов вала 1000 и 1500 об/мин, а также применением одного или двух прессующих вальцов внутри матрицы.

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментального исследования процесса гранулирования кормов шестеренным прессом» приведены результаты сравнительного анализа (табл. 2) конструкторских схем шестеренных, прессов и их анализ.

Лучшим вариантом по данным таблицы 2 является схема с внешней матрицей и приводными внутренними вальцами. Весьма близок вариант с одним внутренним приводным вальцом. По организации передачи крутящего момента к рабочим элементам явное преимущество у конструктивно-технологических схем с пассивной матрицей (неподвижной) и активными внутренними вальцами. Однако такие схемы требуют дополнительного устройства для разделения монолита на части и вывода гранул за пределы пресса. Потребуется и дополнительный привод. Следовательно, лучшим вариантом для массового потребителя прессов малой и средней производительности следует признать схему с активной (вращающейся) матрицей и двумя внутренними прессующими вальцами.

Таблица 2 - Сравнительная оценка основных конструкторских схем

шестеренных прессов

п/п Схема пресса Место по производительности Место по материалоемкости Общий ранг Другие отличия

Номер варианта Схема

1 2 3 4 5 6 7

1 1-й ОС) 1 1 1 -

2-й 1,5 1,33 1,13 -

На рисунках 9 и 10 представлены результаты исследования упруго вязких^ свойств комбикорма для свиней. Изменение напряжения в среде описывается экспоненциальной зависимостью, аналогичной формуле Максвелла:

а = 30,49 е0"0'07', 112 = 0,626, (21)

где г - продолжительность выдержки сжатого корма в камере прессования, с.

В начальный период опытные данные не совпадают с аппроксимирующей, кривой. В средней и заключительной части опыта совпадение становится лучшим.

Данные этих графиков указывают, что полученная зависимость не в полной мере| соответствует физической сущности процесса: первую часть данных зависимость описывает с большой погрешностью, так как корм в течение опыта изменяет свои свойства. Выделим первые четыре точки. Зависимость стала более точной для данного интервала времени: а = 66,42 е0"0'35', И2 = 0,966. (22) |

Следовательно, упруговязкие свойства среды изменяются непрерывно в течение, всего процесса релаксации напряжений. В данном случае отношение модуля Пуассона, к вязкости изменилось от 0,35 в первые 15 секунд до 0,07, усредненного за 60 секунд. Поэтому аналитическое описание процесса упрочнения сжатого материала под давлением с непосредственным использованием упругих свойств (коэффициент Пуассона) и вязкости чрезвычайно затруднено. Остается оценивать упрочнение гранул, в канале прессования в зависимости от частоты сжимающих воздействий по опытным! данным.

Рисунок 8 - Изменение напряжения Рисунок 9 - График изменения

в комбикорме от продолжительности напряжения в среде за первые 15 секунд выдержки под давлением Влияние зубчатого венца матрицы и вальца на деформацию материала в зазоре между ними отражает уравнение регрессии, моделирующее изменение поправочного коэффициента в расчетные формулы при разных размерах матрицы и вальца:

У, = 0,80+0,0907Х, + 0,1242Х2 +0,01575Х,Х2 - 0,01965Х,2 - 0,00415Х22. (23) Фтест уравнения равен 0,987447, что указывает на его высокую адекватность.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Продолжительность выдержки под давлеинем,с

5 10

Продолжительность выдержки под давленнем,с

Анализ этого уравнения регрессии и его наглядного изображения приводит к выводу, что поправочный коэффициент изменяется от 0,586 до 1,020. Диапазон составляет почти 50%-ную поправку. Следовательно, аналитическая зависимость точно описывает процесс только в области размеров, в которой поправка равна единице.

Отношение радиуса зальца к радиусу матрицы «0.5-0.6 «0.6-0.7 «0.7-0,8 «0.8-0.9 «0.5-1 «1-1,1

Рисунок 10 - График зависимости по формуле 19

| и

1 ,

« 1

I °>9

о

о 0.8 §•

£ 0.7

ш

§ 0.6 -э-

-э- 0.5

Отношение размера канала к шагу зацепления

Это соответствует верхнему уровню факторов, то есть отношение размера камеры прессования (размера гранулы) к шагу зацепления равно полутора единицы, а отношение радиуса вальца к радиусу матрицы равно 0,8.

При уменьшении указанных параметров поправочный коэффициент все сильнее отличается от единицы. Наибольшая поправка необходима при сЦД = 0,5 и г/Я = 0,4.

Раскодированное уравнение в именованных обозначениях:

К,=0,2835+0,29135(с11ТЛ)+0,66675(г/К)+0,1575((1Гр/1)(г/К)-0,0786{с1грЛ)2-0,10375(г/Я)2. (24)

Уравнение позволяет определить поправочный коэффициент во всем диапазоне исследованных факторов.

Установлено, что угол оси канала прессования относительно радиального на-

правления матрицы зависит от геометрических соотношений матрицы и прессую щего вальца. Каждый вид корма надо сжимать в разной степени, чтобы получит гранулу требуемой прочности. Единой рекомендации не существует.

20 т у = -12,57х2-4,б28х+ 17,62 При расчете шестеренны

' II2 = 0 991 прессов угол отклонения оси ка

нала навстречу вращению матри цы рекомендуется определять п зависимостям:

для пресса с одним вальцом: у, = 18,157-4,65в- 13,14е2; (25) для прессов с двумя ил тремя вальцами: у2 = 12,77 - 0,97е - 11,43е2. (26) Анализ графиков показыва ет, что для уменьшения работ проталкивания материала в кана, прессования предпочтительне применять вальцы большого раз мера. Для прессующих вальцо больших размеров угол меж, силой проталкивания и направле нием перемещения материала

меньше, чем для вальцов малого диаметра. Поэтому работа перемещения буде меньше на величину, пропорциональную косинусу угла между векторами силы перемещения.

В дальнейших исследованиях частота воздействий и долевая подача сырья процессе уплотнения гранул изменялись согласно данным таблицы 3. Таблица 3 - Варианты обеспечения различной частоты воздействий в прессе_

№ Частота воздействий, Гц Схема сборки пресса

1 3,27 Электродвигатель 4 кВт, 980 об/мин., число оборотов матрицы в минуту 196, одно воздействие за оборот (один валец)

2 4,87 Электродвигатель 7,5 кВт, 1460 об/мин., число оборотов матри цы в минуту 292, один прессующий валец

3 6,54 Электродвигатель 4 кВт, 980 об/мин., число оборотов матрицы минуту 196, два воздействия за оборот (два прессующих вальца

4 9,74 Электродвигатель 7,5 кВт, 1460 об/мин., число оборотов матри цы в минуту 292, два прессующих вальца

При испытании пресса по первому варианту сборки получены следующие ре зультаты наблюдений (рис. 12).

Производительность пресса возрастает постоянно с увеличением подачи. Одна ко качественные гранулы получаются только до подачи 85 г/с. Это объясняется мало

й

у = -10,28х2-Я2 = 2Д14х+ 12,71 ^^ 0,991

0 0,5

Относительнаядеформация ♦ отношение радиусов 0,4

В отношениерадиусов 0,8

Рисунок 11 - График изменения угла ориентации оси канала прессования от относительной деформации материала

продолжительностью периода упрочнения гранул по мере их продвижения вдоль канала прессования. Часть энергии затрачена впустую.

-♦—Производительность, ц/ч; -»-Крошпмость гранул, %; ——Энергоемкость, кВт.ч/т.

Рисунок 12 - Графики изменения показателей работы пресса от подачи материала при частоте воздействий 3,27 Гц

Уравнение крошимости гранул К327 = - 4,672 ■ 10"4 q2 + 0,2266 я - 8,1581. (27) Подставив предельное численное значение крошимости гранул 10%, определим максимально возможную подачу корма для этого режима работы пресса: q = 101 г/с.

Уравнение производительности: = 0,08 • 10"4 с? + 324,4 ■ 10^ + 98 • 104. (28)

Для предельной подачи комбикорма производительность пресса будет 3,38 ц/ч.

Уравнение энергоемкости процесса гранулирования корма с частотой сжимающих воздействий 3,27 Гц: Э327 = 3,872-10"^я2-0,1118 я+ 13,2381. (29)

Энергоемкость в данной точке графика составит 5,90 кВт-ч/т.

Рациональным режимом работы данного пресса следует считать подачу корма 101 г/с, которая соответствует качеству гранул с предельно допустимым уровнем крошимости 10%. Эти показатели для данной частоты воздействий переносятся в сравнительный анализ с показателями других схем сборки пресса.

Аналогично изложенному порядку определены показатели рационального режима работы прессов по трем другим схемам сборки. По ним построен сводный график изменения показателей работы пресса (рис. 13).

жг — Л 1 1 1 -г2 П л. Л

3,27 4,87 6,54 8,14 9,74

Частота сжимающих воздействий, Гц —Производительность, ц/ч -в-Энергоемкость, кВт.ч/т

Рисунок 13 - Сводный график зависимости производительности пресса и энергоемкости процесса гранулирования от частоты сжимающих воздействий

По данным график формулы зависимости про изводительности пресса энергоемкости процесса гра нулирования корма от часто ты сжимающих воздействи имеют следующий вид: Э¥ = 0,04336 V2-0,65875 V +7,529, (30

<3У = -0,03125 V2 + 0,56625 + 1,856. (31

Для минимума функ ции энергоемкости процесс гранулирования (по первой производной) частота ежи мающих воздействий буде равна V = 7,60 Гц.

Производительность пресса увеличится до 435 кг/ч при энергоемкости процесса гра нулирования комбикорма 5,03 кВт.ч/т.

Таким образом, увеличение частоты сжимающих воздействий с разделением по дачи на кратные доли ускоряет упрочнение гранул и способствует увеличению произ водительности пресса. Установленная частота сжимающих воздействий соответствуе схеме пресса с двумя прессующими вальцами внутри матрицы.

Производственные показатели работы пресса с рациональными параметрами режимом работы (в его конструкции заложены новые технические решения по четырем патентам на изобретения и патента на полезную модель) сравнивались с теоретической производительностью пресса, определенной по формуле (рис.14):

0, = НиажвК1ВрояКу, (32)

где В - действительная ширина прессующего вальца, м.

Производственные опыты подтвердили основные показатели шестеренного пресса: подача комбикорма 121 г/с двумя долями по 60,5 г/с, производительность равна 435 кг/ч, энергоемкость процесса гранулирования 5,03 кВт.ч/т. Погрешность определения производительности по аналитическим зависимостям в зоне рациональног режима равна 2,5% и увеличивается с превышением частоты сжимающих воздействий свыше 7,6 Гц до 15,2%.

Пресс ООО «Агропродмаш» с одним прессующим вальцом и стандартным эвольвентным профилем показал производительность 216 кг/ч при энергоемкости процесса 8 кВт.ч/т. В экспериментальном прессе вдвое увеличена производительност за счет увеличения доли канала прессования по отношению к шагу зацепления и увеличения количества сжимающих воздействий на корм двумя вальцами.

600 500

2 <400

С

В «

& «300 & °

у, о

I ё200

о £

100

о

3,027

1 ! 1 ! ! 1 1 1 ! 1 ' .и

.=====р5=Г^! ! ! 15,2%

- - ■ у = ,8х-2-^74,бх+ 268.2 11= = 0.977 1 1 :

! ! ! 1 ! ! 1 : 1 !

!■!'!! 1 ! ----.---1-

4,87 6,54 8,14 9.74

Частота сжимающих воздействий, Гц '-Экспериментальная

—Теоретическая

Рисунок 14 - Графики сравнения теоретической и экспериментальной производительности шестеренного пресса

В пятой главе «Методика инженерного расчета пресса и экономическая эффективность результатов исследований» представлены дополнения к инженерному расчету шестеренных прессов и экономическое обоснование эффективности использования результатов исследования. Годовой эффект может составить 77470 рублей на один пресс при сроке окупаемости дополнительных капвложений 0,14 года, а срок окупаемости общих затрат на разработку и освоение выпуска первых 10 прессов равен 3,63,9 лет.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. По производительности и материалоемкости наиболее предпочтительной конструктивно-технологической схемой пресса средней производительности является гра-нулятор кормов с активной матрицей и двумя внутренними прессующими вальцами.

2. Процесс упрочнения гранул в канале прессования зависит от кратности на-гружения и доли подачи сырья. Упруговязкая характеристика комбикорма постоянно меняется на различных стадиях процесса гранулирования. Отношение модуля Пуассона к вязкости его изменяется от 0,35 в первые 15 секунд до 0,07 усредненного за 60 секунд выдержки комбикорма под давлением. Процесс релаксации напряжений не заканчивается за 60 секунд наблюдений. Наиболее интенсивно релаксация напряжений протекает в первый период выдержки корма под давлением.

3. Толщина слоя сырья, вовлекаемого в зону сжатия, увеличивается до соотношения радиусов вальца и матрицы 0,5, а в дальнейшем снижается. Полученные зависимости (6, 7 и 8) не учитывают дополнительную подачу сырья объемными элементами зубчатого венца. На деформацию корма в прессе влияет исполнение зубчатого венца матрицы. Толщина вовлекаемого в зону сжатия корма увеличивается. Уточняющий коэффициент в полученных формулах для определения деформации и толщины слоя

корма зависит от отношения радиуса вальца к радиусу матрицы, а также схемы фрезерования зубчатого венца у матрицы и моделируется формулой (24).

4. Угол между силой проталкивания и направлением перемещения уменьшается с увеличением радиуса внутренних прессующих вальцов. При проектировании прессов с одним прессующим вальцом внутри матрицы угол ориентации каналов прессования определяется зависимостью (25), а с двумя или тремя вальцами -формулой (26).

5. Производительность пресса увеличивается, а энергоемкость гранулирования кормов снижается при увеличении кратности силового нагружения среды (числа вальцов). Увеличение частоты сжимающих воздействий с разделением подачи на кратные доли ускоряет упрочнение гранул и способствует увеличению производительности пресса. Однако с увеличением частоты воздействий свыше 7,6 Гц энергоемкость процесса увеличивается. Рациональным значением частоты воздействий является 7,6 Гц, что соответствует числу оборотов матрицы 228 за минуту при двух внутренних прессующих вальцах.

6. Шестеренный пресс с горизонтальной вращающейся матрицей и двумя прессующими вальцами внутри нее при экспериментально установленных рациональных параметрах и режиме работы обеспечивает увеличение производительности до 435 кг/ч качественных гранул и снижение энергоемкости процесса до 5,03 кВт-ч/т.

7. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 77469,4 руб. за один год использования при снижении удельной материалоемкости с 2,54 до 0,99 кг/т. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений около полугода.

ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

В изданиях из перечня ВАК

1. Щербина, A.B. Определение рационального режима работы гранулятора шестеренного типа [Текст] / Д.С. Волков, A.B. Щербина // Вестник Донского государственного технического университета - Ростов-на-Дону, 2009. Том 9, № 4 (43). - С. 724 - 727.

В описаниях патентов

2. Щербина, A.B. Патент № 90733 «Сборная матрица шестеренного гранулятора кормов» [Текст] / Д.С. Волков, В.И. Щербина, A.B. Щербина, А.Н. Шишин, В.Ф. Яла-мов// RU 90733 U1, МПК В30В 11/00. Опубл. 20. 01. 2010. Бюл. №2.

3. Щербина, A.B. Патент № 2261585 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щербина, С.В.Щербина, A.B. Щербина, Л.Н. Родина // Опубл. БИ № 28, 2005.

4. Щербина, A.B. Патент № 2261586 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щербина, C.B. Щербина, A.B. Щербина, Л.Н. Родина, И.В. Ширшиков// Опубл. БИ № 28,2005.

5. Щербина, A.B. Патент № 2262443 «Пресс для гранулирования кормов» [Текст] / В.И. Щербина, C.B. Щербина, A.B. Щербина, Л.Н. Родина, А.Ф. Зорин // Опубл. БИ № 29,2005.

6. Щербина, A.B. Патент № 2264076 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щербина, C.B. Щербина, A.B. Щербина, Л.Н. Родина // Опубл. БИ № 32,2005.

В зарубежных сборниках трудов

7. Щербина, A.B. Перспективы совершенствования прессов для гранулирования кормов [Текст] / И.Н. Краснов, В.И. Щербина, Л.Н. Родина, A.B. Щербина // Пращ

авршськой державно'! агротехшчно\' академа - Вип. 34. - Мелкополь: ТДАТА. KPAÏHA, 2005.-С. 48-51.

8. Щербина, A.B. Результаты оптимизации параметров и режима работы шесте-енного пресса плунжерного действия с двумя равновеликими зубчатыми колесами нешнего зацепления [Текст]/А.В. Щербина, В.И. Щербина, JI.H. Родина//Пращ авршськой державно'1 агротехшчноТ академп - Вип. 34. - Мелгаполь: ТДАТА, KPAÏHA, 2005.-С. 51-56.

В сборниках трудов

9. Щербина, A.B. Результаты экспериментального определения рационального ежима работы шестеренного гранулятора [Текст] / Д. С. Волков, В.И. Щербина, .В. Щербина, Ж В. Матвейкина, А.Н. Шишин // Вестник аграрной науки Дона. - Зер-оград, 2008. Вып. 4. - С. 91-94.

10. Щербина, A.B. Шестеренный гранулятор кормов для фермеров [Текст] В.И. Щербина, A.B. Щербина, А.Н. Шишин // Экономика, организация, технология и еханизация животноводства. Межвузовский сборник трудов. Вып. 4 - Зерноград: ГОУ ВПО АЧГАА, 2007. С. 108-113.

11. Щербина, A.B. Ресурсосберегающие принципы конструирования шестерен-ых прессов [Текст] / В.И. Щербина, A.B. Щербина, А.Н. Шишин // Экономика, орга-изация, технология и механизация животноводства. Межвузовский сборник трудов, ып. 4 - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. С. 105-108.

12. Щербина, A.B. Оптимизация параметров зубчатых колес шестеренных грану- торов плунжерного типа [Текст]/ A.B. Щербина, В.И. Щербина, C.B. Щербина, .Н. Родина // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. ып. 6, юбилейный. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. С. 145-149.

13. Щербина, A.B. Влияние угла зацепления на показатели процесса сжатия кора в шестеренном грануляторе плунжерного действия [Текст] /A.B. Щербина, .И. Щербина, А.И. Удовкин // Совершенствование процессов и технических средств АПК. Сб. н. т. Вып. 5. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004.

14. Щербина, A.B. Методика инженерного расчета шестеренного пресса фор-тощего типа [Текст]/А.В. Щербина, В.И. Щербина, А.И. Удовкин// Совершенство-

ание процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 5. - Зерноград: ФГОУ ПО АЧГАА, 2004.

15. Щербина, A.B. Оптимизация параметров зубчатого венца шестеренного гра-улятора [Текст] / A.B. Щербина, А.Ф. Зорин // Совершенствование процессов и тех-ических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 3. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004. -. 137-139.

16. Щербина, A.B. Влияние модуля зуба на сжатие кормов в шестеренном грану-яторе [Текст] / A.B. Щербина, С.А. Белоконов, А.Ф. Зорин // Совершенствование провесов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 3. - Зерноград: ФГОУ ВПО ЧГАА, 2001.-С. 155-159.

JIP 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 22.11.2010. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 453. © РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ И ПРЕССОВОГО

ОБОРУДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ технологического процесса гранулирования кормов.

1.2 Обзор оборудования для производства гранул.

1.3 Анализ научных исследований процесса производства твердых гранул из сыпучего сырья растительного происхождения.

1.4 Релаксация напряжений в грануле и криволинейность матричного канала.

1.5 Анализ исследований режима работы прессующих устройств.

Цель и задачи исследования.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ШЕСТЕРЕННОГО

ПРЕССА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ АКТИВНОЙ МАТРИЦЕЙ И

ВНУТРЕННИМИ ПРЕССУЮЩИМИ ВАЛЬЦАМИ.'

2.1 Сравнительный анализ рабочих органов шестеренных прессов и выбор базовой конструктивно-технологической схемы пресса.

2.2 Технологический процесс гранулирования комбикорма шестеренным прессом с активной матрицей и внутренними прессующими вальцами.

2.3 Деформация сырья в рабочем пространстве.

2.4 Давление и работа сжатия материала в шестеренном прессе.

2.5 Определение угла отклонения каналов прессования в матрице от радиального направления.

2.6 Анализ сил в рабочем органе и определение мощности привода шестеренного пресса.

2.7 Упрочнение гранул в канале прессования.

ВЫВОДЫ.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМА

ШЕСТЕРЕННЫМ ПРЕССОМ С ВНУТРЕННИМИ

ПРЕССУЮЩИМИ ВАЛЬЦАМИ.

3.1 Программа экспериментального исследования.

3.2 Общая методика экспериментального исследования.

3.3 Методика определения физико-механических свойств кормовых смесей.

3.4 Методика экспериментального исследования процесса релаксации напряжений в сжатом комбикорме.

3.5 Методика определения долевого участия зубчатого венца в подаче и деформации сырья в рабочем органе шестеренного типа.

3.6 Методика экспериментального определения рационального режима работы гранулятора с зафиксированной частотой сжимающих воздействий на корм.

3.7 Методика измерения производительности гранулятора.

3.8 Методика измерения мощности привода и определения энергоемкости процесса гранулирования.

3.9 Методика обработки результатов измерений и определения погрешности полученных результатов.

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ

ШЕСТЕРЕННЫМ ПРЕССОМ.

4.1 Результаты сравнительного анализа конструктивных схем шестеренных прессов.

4.2 Анализ результатов исследования упруго-вязких свойств комбикорма.

4.3 Влияние зубчатого венца матрицы и вальца на деформацию материала в зазоре между ними.

4.4 Зависимость угла. ориентации оси канала прессования от геометрических соотношений матрицы и прессующего вальца

4.5 Анализ исследования частоты воздействий и долевой подачи сырья на процесс уплотнения гранул и производительность пресса.

4.6 Производственные показатели работы исследуемого шестеренного пресса.

ВЫВОДЫ.

5 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПРЕССА И

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Дополнения к методике инженерного расчета шестеренного пресса.

5.2 Экономическое обоснование эффективности использования шестеренного гранулятора кормов.

В последнее время благодаря принятым в России национальным проектам большое внимание отводится сельскохозяйственному производству. Увеличение продуктов растениеводства и животноводства тесно связано с совершенствованием заготовки и хранения кормов /1, 2/. Модернизируются предприятия кормопроизводства, обновляются технологии и средства механизации, создаются образцы новых перспективных видов оборудования. Начата модернизация не только специализированных предприятий промышленного типа, но и общественных и частных аграрных хозяйств. Повышение эффективности животноводства, в частности, решается в массовом мелкотоварном секторе экономики. Поэтому актуальным является разработка современного передового оборудования для массового применения в фермерских, индивидуальных и кооперативных предприятиях. Значительная роль принадлежит оборудованию переработки зерновых отходов и заготовки из них кормов /16, 17, 73/. Актуальным следует считать исследование процесса прессования сельскохозяйственных материалов, в частности, гранулирования кормов /18, 23/.

Среди многочисленного перечня оборудования для обработки кормов давлением шестеренные прессы занимают особое место. Прессы с зубчатыми рабочими органами показали практически неограниченные возможности по производительности /144/. При этом энергоемкость процесса гранулирования снижается в два-три раза, если сравнивать с самыми распространенными в настоящее время кольцевыми грануляторами с принципом сплошной прокатки корма по поверхности матрицы.

Исследованием работы шестеренных устройств занимались многие ученые и научные коллективы /13, 53, 69, 127, 137, 141/. Их данные по основным закономерностям уплотнения материалов, главным соотношениям размеров матрицы, прессующих вальцов и другие результаты составили основу теории прессования. Известны сотни возможных конструкций и теоретических схем различного вида прессов, грануляторов и брикетировщиков /144/. Запатентовано большое количество технических решений устройств для обработки различных материалов давлением. Однако до сих пор нет однозначного решения о наиболее эффективной конструктивно-технологической схеме шестеренного пресса. Отсутствуют рекомендации по наиболее предпочтительному использованию того или иного типа прессового оборудования в конкретных производственных условиях.

Цель настоящего исследования»— снижение энергоемкости процесса гранулирования кормов обоснованием оптимальной конструктивно-технологической схемы шестеренного пресса, его параметров и режима работы.

Для этого в работе сравнительным анализом наиболее распространенных схем прессов выявлена предпочтительная конструкция шестеренного гранулято-ра, исследовано влияние кратности подачи корма на затраты энергии, обоснованы параметры гранулятора с активной матрицей-и двумя внутренними прессующими вальцами, оптимизирован режим его работы.

Она состоит из введения и пяти глав. Во введении обоснована актуальность проведения-научного исследования.

В первой главе дан анализ априорной информации по состоянию исследований и их результатов, а также сформулированы задачи дальнейших исследований.

Во второй главе теоретически обоснован метод сравнительного анализа различных схем шестеренных прессов и критерии оценки их эффективности. Аналитически рассмотрены взаимосвязи технологических и конструктивных параметров шестеренных грануляторов, выявлены задачи экспериментального исследования отдельных аспектов в режиме работы пресса с двумя прессующими вальцами.

В третьей главе изложена программа экспериментального исследования процесса гранулирования кормов прессами с активной матрицей и двумя внутренними прессующими вальцами горизонтального расположения и методики измерений показателей работы пресса.

В четвертой главе дан анализ результатов экспериментов и сформулированы рекомендации производству.

Технико-экономические показатели производственного применения разработанных прессов изложены в пятой главе. Они показывают, что дополнительные капвложения окупаются за две трети года, а полный срок окупаемости затрат на разработку новых прессов и их внедрение в производство не превышает трех лет.

По результатам исследований разработаны новые технические решения и получено 4 патента на изобретения и 1 патент на полезную модель. Результаты исследований внедрены в ООО «Агропродмаш», ЗАО «ЮгАгроХолдинг» и ЗАО «ДонМаслоПродукт». Они могут быть полезны при обучении специалистов, в осуществлении исследовательских работ, а также при разработке аналогичного оборудования нового поколения проектными и конструкторскими организациями.