автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оптимизация процесса экструдирования кормов с учетом изменения геометрических и режимных параметров рабочего пространства шнекового прессующего механизма

Г Го ОД 21 глаз

На правах рукописи

ФИСЕНКО КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСПЕДИРОВАНИЯ КОРМОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ШНЕКОВОГО ПРЕССУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА

Специальность 05.20.01- механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 2000

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук профессор В.Ю. Полищук

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор М.И. Филатов

кандидат технических наук, доцент В.Л. Касперович

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства

Защита диссертации состоится » ¿СбСМ&Р 2000 г. в часов на заседании диссертационного совета Д120.95.01 Оренбургского ордена Трудового Красного Знамени государственного аграрного университета по адресу: 460795, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан » 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

П.И. Огородников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переход к производству комбикормов непосредственно в хозяйствах - главное направление технической политики в предстоящий период. Комбикорма, приготовленные в хозяйствах, более качественны и на 20. .30% дешевле благодаря сокращению транспортных перевозок. Поэтому необходимо ускорить исследования по всем аспектам создания надежных комбикормовых агрегатов для производства комбикормов в хозяйствах,- в частности снижению энергоемкости и материалоемкости приготовления кормов.

Обработка давлением материалов растительного происхождения является основой многих технологий производства кормов. Такая обработка позволяет получить не только корма, но продукты питания и их полуфабрикаты с новыми потребительскими свойствами. Процесс прессования, при котором обеспечивается высокий уровень гомогенизации и желатинизации спрессованного материала называется экструдированием или экструзией. Экструдирование уменьшает затраты на подготовку кормов к скармливанию животным, транспортирование и хранение, обеспечивает сбалансированное питание животных, увеличивает поедаемость кормов, улучшает экологическое состояние ферм.

Экструдеры позволяют совместить ряд операций в одной машине, проводить их быстро и непрерывно (составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать, формовать практически одновременно). Полученные в результате экструдирования продукты отвечают таким критериям как экологическая чистота, удобство применения, разнообразие ассортимента

Высокая стоимость экструдеров в сочетании с отсутствием методов оптимизации и регулирования их параметров ограничивают возможности совершенствования прессующих механизмов и способов их эксплуатации, что сдерживает их внедрение в отечественное кормопроизводство.

Данная научная работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовяения», включенной в тематический плана НИР Оренбургского государственного университета на 1996-2000 гг. Номер госрегистрации темы 01960005700.

Цель исследования. Уточнение механики процесса экструзии в однош-нековых прессующих механизмах в связи с технологией получения экс-трузионных продуктов, используемых при производстве кормов для животных.

Задачи исследования.

1. Из анализа литературных данных определить современное состояние и основные направления развития механики процесса экструдирования и конструкций шнековых прессов-экструдеров.

2. Выполнить математическое моделирование процесса экструдирования в одношнековых прессах с учетом переменности параметров по оси шнека.

3. Экспериментально исследовать процесс экструдирования для идентификации и верификации математической модели.

4. Методом вычислительного эксперимента определить свойства од-ношнекового прессующего механизма при экструдировании кормов в теплом режиме.

5. Экономически обосновать разработку новых математических моделей одношнековых прессующих механизмов и предложить новые конструкции оборудования для экструдирования кормов.

Объект исследования: одношнековые прессующие механизмы экструде-ров для производства продовольственных и кормовых продуктов.

Предмет исследования: свойства одношнекового прессующего механизма экструдера.

Научная новизна заключается:

- в разработке математической модели одношнекового пресса экструдера и программных средств (ПС);

- в выявлении свойств прессующего механизма экструдера.

Практическую ценность имеют:

- методика проектирования прессующего механизма;

- ПС для расчета одношнековых прессующих механизмов;

- новые конструкции прессующих механизмов экструдеров.

Реализация результатов. ПС расчета одношнековых. прессующих механизмов использованы в курсовом и дипломном проектировании специальности 170600 Оренбургского государственного университета, в ОАО «Орстан» (г. Оренбург), в ОАО ТПФ «Классик» (г. Екатеринбург).

Апробация. Основные положения диссертации доложены и одобрены на Международной научно-практическая конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века» (Оренбург, ОГУ); третье^ республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна» (Барнаул, АлтГТУ); ежегодной научно-практической конференции факультета механизации сельского хозяйства (Оренбург, ОГАУ) 1999 года; опубликованы в 3-х статьях.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса экструдирования.

2. ПС расчета одношнековых прессующих механизмов.

3. Решение задачи оптимального проектирования.

4. Новые конструкции оборудования для экструдирования кормов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в б научных работах, в том числе, получены патент № 2139195.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 163 машинописных страницах, включая список литературы из 152 наименований (в том числе 20 на иностранных языках), содержит 32 рисунка, 5 таблиц, 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы и краткому изложению положений, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Современное состояние н основные направления развития одиошнековых прессующих механизмов экструдеров» рассмотрена возможность использования технологам экструдирования для приготовления кормовых продуктов. Проанализирована структура шнековых прессующих механизмов и их конструкции, применяемые для экструдирования пищевых и кормовых продуктов. Дан анализ работ А .Я. Соколова, C.B. Мельникова, Г.М. Кукты и других авторов, посвященных различным аспектам этой проблемы.

Дан обзор теорий прессования и экспериментальных исследований экструдирования растительных материалов, в том числе применяемых реологических моделей по материалам Н.Б. Урьева, Ю.А. Мачихина и С .А. Мачихина, A.B. Горбатова, Е.С. Макарова, В.В. Новикова, и других авторов.

Рассмотрены различные подходы к аналитическому описанию движения материала в канале фильеры, канале шнека, полости утечек прессующего механизма. Проанализирован опыт применения метода векторной оптимизации к шнековому прессующему механизму Л.П. Карташова и В.Ю. Полищука.

Во второй главе «Теоретические основы процесса механического взаимодействия прессуемого материала с прессующим механизмом» обоснована математическая модель процесса экструдирования. В экструдере прессуемый материал движется по полостям с изменяющейся конфигурацией (рисунок 1). Систему полостей щиекового механизма можно преобразовать в систему нескольких пар параллельных плоскостей, между которыми движется прессуемый материал. Исключение составляют осесимметричные каналы фильер. Шнековый механизм можно рассматривать как систему секций (элементарных механизмов с условно постоянными параметрами процесса), каждая из которых ограничена компрессионным затвором. Секция может оканчиваться матрицей, либо компрессионным затвором - участком механизма, на котором лопасть шнека прерывается и проходное сечение уменьшается. Компрессионный затвор может быть фиктивным, если параметры процесса прессования изменяются при непрерывных лопастях шнека. Получено дифференциальное уравнение движения экструдируемого псевдопластического материала в одномерной модели шнекового прессующего механизма, состоящей из параллельных подвижной и неподвижной плоскостей, в системе координат хОу в виде

где Тху — напряжение сдвига материала в пространстве между пластинами; а - давление в прессуемом материале;

- значение координаты, при котором 1ху = 0.

Рисунок 1. Схема прессующего механизма: 1 - загрузочное устройство; 2 - шнековый цилиндр; 3 - матрица; 5 - компрессионный затвор.

Рисунок 2. Схема модели шнекового канала: 1 - плоскость, замещающая шнековый цилиндр; 2 - плоскость, замещающая дно шнекового канала.

Рисунок 3. Схема распределения касательных напряжений на развертке поверхности шнекового цилиндра.

Реологическое уравнение течения псевдопластической жидкости удовлетворительно описывается уравнением Оствальда-де Виля, связывающим напряжение сдвига Туу со скоростью сдвига

где и1 - коэффициент консистенции материала; п - индекс течения.

Решением уравнения (1) с учетом (2) получен объемный расход прессуемого материала на единичной ширине пространства между пластинами в предположении проскальзывания материала по нижней пластине (рисунок 2).

Градиент напряжений в канале шнека. Используя только уравнение Оствальда-де Виля (2), невозможно определить градиент напряжений в канале шнека из уравнения (1). Дополнительные граничные условия движения материала можно получить, рассматривая его как пластическую гайку с углом подъема винтовой линии канала а, то есть между касательными напряжениями на контактной поверхности шнекового цилиндра - меридиональным ттс, в направлении канала шнека т^ и в окружном направлении т!с имеется связь, показанная на рисунке 3. Касательное напряжение в материале на контактной поверхности пластической гайки не может превосходить предельного напряжения сдвига тт, параметры которого для комбикормов были определены И.А. Бондаревой. Подставляя в (1) координату верхней плоскости^ = Нш, получим касательное напряжение на верхней пластине

= О)

Подставляя в (3) зависимость гу = /(сг)и производя интегрирование, получим величину прироста Дет нормального напряжения в корме на длине канала данной секции шнека. Зависимость <7 = /(х) в области допустимых значений входящих в нее величин можно приближенно принять линейной.

Движение прессуемого материала в кольцевых полостях шнекового прессующего механизма. Кольцевые полости образуют компрессионные затворы прессующего механизма, в том числе наконечники шнеков типа «Торпедо», и зазоры утечек прессуемого материала между вершинами лопастей шнека и внутренней поверхностью шнекового цилиндра (рисунок 1). Эти полости при развертке можно представить парами параллельных плоскостей.

Задача движения материала в этом случае аналогична рассмотренной выше задаче для канала шнека, однако отличается тем, что подвижная плоскость перемещается под прямым углом к направлению движения материала. Предполагалось отсутствие проскальзывания материала по контактным поверхностям. Граничные условия задачи движения материала в компрессионном затворе показаны на рисунке 4.

Кинематические параметры и напряжения прессуемого материала в полости утечек определим как в компрессионном затворе, предположив, что каждый шаг лопасти шнека заменен шайбой с диаметром равным внешнему диаметру шнека.

Объемный расход материала на единичной ширине развертки зазора утечек определен аналогично компрессионному затвору, однако градиент давления и высота зазора утечек в этом случае имеют другое значение.

Рисунок 4. Схема модели компрессионного затвора: 1 - плоскость, замещающая шнековый цилиндр; 2 - плоскость, замещающая боковую поверхность компрессионной шайбы.

Исследование процесса прессования корма в цилиндрических фильерах матрицы. Задача движения псевдопластического материала для этого случая решена в предположении отсутствия проскальзывания материала по стенкам фильеры. Для учета сопротивления на вход в фильеру и сопротивления предматричного пространства движению материала в окончательный вид уравнения движения материала в фильере введена эффективная длина фильеры

(4)

которая превосходит протяженность канала фильеры гм на, определяемое опытным коэффициентом с, число диаметров канала <1М.

Уравнения внутренней характеристики системы. Для шнекового механизма, схема которого изображена на рисунке 1, система уравнений неразрывности объемной производительности имеет вид

[0ш-0у=0к> 5

[£* =<2м =кфОф,

где <2Ш - объемная производительность шнековых каналов;

()у - объемная производительность материала в полости утечек; £1К - объемная производительность компрессионного затвора; Ом -объемная производительность в предматричком пространстве, образуемом корпусом шнека и насадкой 3 (рисунок 1); £)ф - объемная производительность одной фильеры матрицы; ■ . кф -число фильер в матрице.

Давление прессуемого материала в канале шнека в конце секции, расположенном в направлении матрицы, имеет нечетный индекс, а в начале секции, в направлении загрузочного отверстия, имеет четный индекс.

Объемная производительность в 1-ой секции определена в виде

<-=2,з,...,/, (6)

где I -число всех секций прессующего шиекового механизма.

Подставляя в уравнение объемной производительности шнекового механизма (6) значения, связывающие ее члены с давлением в потоке прессуемого материала, можно из (5) получить систему уравнений, решения которой определяют давление в каждой секции шнекового механизма

4 (ъ - ^ Л + А = О1 - ^ г.

= Л-1 (^г-З - ^2(1-1)) ' 1+В1-Ь

А {а21-\ - °2; Г' + В1 = Е, (°"2Ы - °"2(М)) ' >

где Л,-, Л,- - параметры, характеризующие движение материала в шнеке;

Е^Н — параметры, характеризующие движение материала соответственно в компрессионном затворе и фильере матрицы; кф -число фильер в матрице.

Система (7) может быть решена численными методами и позволяет про. водить математическое моделирование процесса экструдирования с учетом из-

менения геометрических параметров шнека - шага, глубины и широты канала шнека, осевой протяженности и радиального зазора компрессионных затворов, а также реологических параметров экструдируемого материала, происходящих при его нагреве во время движения цо шнеку.

Комплекс параметров эффекта шпекового прессующего механизма.

Производительность шнекового пресса-экструдера определена массой материала, проходящего через каналы матрицы в единицу времени.

Мощность сил полезного сопротивления шнекового прессующего механизма составлена из соответствующих мощностей в каждой секции и складывается из мощности сил полезного сопротивления в канале шнека, в зазоре утечек и в компрессионном затворе.

Параметрами эффекта, оценивающими нагрузки на рабочие органы прессующего механизма, являются: усшше, действующее на конце шнека, а также крутящий момент, действующий на шнек.

Параметры эффекта, оценивающие качество вырабатываемого продукта. Условие образования прочной гранулы оценивается импульсом сжимающих напряжений, сообщаемым готовому продукту за время его прессования; условие смешения и гомогенизации продукта определяется импульсом касательных напряжений, воздействующих на прессуемый материал за время его пребывания в прессующем механизме экструдера. В итековом прессующем механизме (рисунок 1) эти импульсы напряжений получают существенное значение в винтовых каналах шнека, в фильерах матрицы, компрессионных затворах прессующего механизма. Импульс напряжений, сообщаемый прессуемому материалу в полости утечек, не затрагивает: весь прессуемый материал, однако его часть, прошедшая через полость утечек может при этом потерять потребительские свойства за счет избыточного разрушения структуры.

Коэффициент полезного действия прессующего механизма определен как отношение среднего давления в канале фильеры к энергоемкости процесса экструдирования, которая, в свою очередь, определена как отношение мощности сил полезного сопротивления к объемной производительности экструдера.

В третьей главе «Методика математического моделирования од-ношнекового прессующего механизма» изложена технология параметрического синтеза одношнекового прессующего механизма. Механико-математическая модель, разработанная в главе 2, включает необходимые для оптимизации компоненты: реологическую модель экструдируемого материала с множеством реологических параметров М, внутреннюю характеристику модели с множествами конструктивных К и геометрических Р параметров механизма, параметры эффекта процесса. Задача определения внутренней характеристики системы сведена к решению системы нелинейных уравнений (7) методом Ньютона. Параметры эффекта вычисляются из внутренней характеристики при различных комбинациях членов множеств К,Р и М, изменяемых по определенному плану. Следующим этапом решения задачи является нахождение оптимального (или рационального) решения по параметрам эффекта мето-

дом рабочих характеристик. Дня параметрического синтеза шнекового прессующего механизма разработана программная система, состоящая из модуля работы с базами данных реологических, конструктивных и геометрических параметров, модуля расчета параметров эффекта и модуля оптимизации. Рабочие характеристики построены кубическими сплайнами.

Каждая рабочая характеристика включает семейство диаграмм в координатах двух основных параметров эффекта, построенных при постоянном значении исследуемой входной величины, а также три семейства диаграмм параметров эффекта, построенных при постоянных значениях этих параметров, ограничивающих оптимальную область. Оптимальным считается значение исследуемой величины в оптимальной области, имеющее лучшие значения основных параметров эффекта, отложенных на осях координат.

Важным этапом создания адекватной математической модели является ее идентификация, то есть определение внешних величин, описывающих свойства моделируемого процесса. Все элементы множества К и большая часть элементов множества Р идентифицируется лицом, принимающим решения (ЛПР). Все элементы множества М подлежат экспериментальному определению. Нами использованы параметры прессуемого комбикорма как псевдопластического тела, определенные Е.С. Макаровым, и его параметры как пластического тела, определенные И.А. Бондаревой. Элементы множества Р — длина зоны прессования и коэффициент сопротивления на вход в фильеру экспериментально определены в настоящем исследовании. Длину зоны прессования о определили, исследуя слепки прессуемого материала, извлеченные из. прессующего механизма, по методике Т.М. Зубковой. Для определения коэффициента сопротивления на вход в фильеру применили стандартный способ вычисления внешних величин математических моделей - минимизацию отклонений имеющихся экспериментальных данных от тех, которые дает модель при совпадающих начальных и граничных условиях. Таким образом, разработанная математическая модель может быть полностью идентифицирована.

При верификации модели сравнивают параметры эффекта, измеренные непосредственно из физического эксперимента, с вычисленными параметрами эффекта при совпадающих граничных условиях. Такими параметрами выбраны производительность прессующего механизма, мощность сил полезного сопротивления и усилие в корпусе на конце канала шнека. Если отклонения не превосходят допустимой величины, модель считается верифицированной.

В четвертой главе «Экспериментальное исследование процесса экс-трудироваиия» описаны результаты экспериментов по идентификации (определению неизвестных пользователю внешних величин) и верификации (соответствие реальному объекту) математической модели, которые были реализованы на специально разработанном экспериментальном стенде, оснащенном измерительной аппаратурой. Основное назначение физических экспериментов

в настоящем исследовании заключается в получении экспериментальных данных, позволяющих судить о точности описания математической моделью, изложенной в главе 2, процессов, происходящих при изменении основных параметров шнека - шага шнекового канала рх и его глубины . Были изготбвле-ны пять шнеков с различивши значениями этих параметров. Один из шнеков имел базовые геометрические параметры, постоянные по длине шнека. В связи с технологическими сложностями изготовления шнеков переменного шага по длине, исследование влияния шага проведено на шнеках с постоянным шагом. Шнеки с переменной глубиной канала по длине имеют параметры канала шнека в его начале (в зоне загрузки) такие же, как у базового шнека.

Обработка результатов физических экспериментов производилась с использованием методов математической статистики и программного средства, разработанного в настоящем исследовании. В качестве опорного объекта для параметрического синтеза шнекового прессующего механизма был принят малогабаритный пресс-экструдер ПЭШ-30/4, выпускаемый ОАО "Орстан".

Эксперименты проведены на рассыпном комбикорме ПК 4-17 ОСТ 8-2077, выработанном на Оренбургском комбикормовом заводе. Для каждой влажности проведены испытания на пяти конструкциях шнеков. Два шнека имели уменьшающуюся к концу шнека глубину канала с углом конуса 0,0028 рад и 0,0129 рад. Три шнека имели постоянные по длине параметры с шагом шнекового канала 0,032 м, 0,040 м и 0,048 м. Исследованы пять скоростей вращения шнека 10, 13, 15, 20 и 23 рад/с. Использованы три базовые влажности комбикорма - 24, 28 и 32 %, которую контролировали определением по ГОСТ 1484969. В каждом опыте фиксировали показания ваттметра, температуру продукта при прохождении через фильеру, осциллограмму осевого усилия в трех сечениях корпуса шнека. Одно из сечений совпадает с концом канала шнека, а два другие отстоят от первого на 0,178 и 0,356 м. Усилие в корпусе пресса определяли по деформации тензометрических втулок, установленных под головки болтов фланцевых соединений шнекового корпуса. Производительность определяли, отбирая образцы готового продукта за известные промежутки времени с последующим взвешиванием.

При идентификации математической модели из опыта определяли длину рабочей зоны шнека и коэффициент сопротивления на вход в фильеру.

Эксперименты по определению длины рабочей части (зоны прессования) пресса проводили, останавливая экструдер под нагрузкой (не прекращая подачи материала), затем вытаскивали шнек и замеряли длину шнека, где оставались слепки прессуемого материала. Эксперименты проведены при угловых скоростях вращения шнека 10 рад/с и 23 рад/с и влажностях 24 % и 32 % на всех пяти исследованных шнеках в трех повторностях. Средняя длина рабочей части шнека экструдера ПЭШ-30/4 составила 0,40 м. Отклонения не превосходят ±8% и не коррелируют ни с угловой скоростью ни с влажностью прессуемого материала. •

Для учета сопротивления движению материала между наконечником шнека и матрицей и сопротивления движению материала при входе в фильеру экспериментально определен коэффициент сопротивления на вход в фильеру с.

Для этого определили мощность N сил полезного сопротивления и производительность <2 для всех шнеков на угловых скоростях 10, 13, 15, 20 и 23 рад/с при влажности комбикорма 28 %. Опыты повторяли три раза и определяли среднеарифметические значения показателей.

При вычислениях приняли гипотезу, что температура в канале шнека не превышает 40 "С и может быть зафиксирована на этой величине, а разогрев продукта до температуры, с которой он экструдируется из фильеры, происходит в полости между насадкой на конце шнека и корпусом шпека, которую из-за этого назвают греющей шайбой. Поскольку эта гипотеза была принята при идентификации модели, она использована при ее верификации и далее при оптимизации конструкции шнекового прессующего механизма.

В случае шнеков с переменной глубиной канавки, рабочую зону шнека условно разбили на две секции, параметры шнека в каждой из которых осредне-ны. Такой же подход применен на этапах верификации модели и оптимизации конструкции прессующего механизма.

Подбор коэффициента сопротивления на вход в матрицу производили задаваясь значением коэффициента вычислением мощности сил полезного сопротивления N и производительности прессующего механизма <2 для всех испытанных режимов работы экструдера и их сравнением с экспериментально определенными, затем оценивали совпадение экспериментальных значений с вычисленными по критерию Фишера. Для конструкции экструдера ПЭШ - 30/4 в режиме теплой экструзии комбикорма ПК 4-17 лучшее совпадение теоретических и экспериментальных данных дает с = 15.

Анализ диаграмм показывает примерно линейное изменение осевых нормальных напряжений по длине корпуса шнека, что свидетельствует о справедливости принятого в математической модели предположения о постоянстве градиента нормальных напряжений вдоль канала шнека.

Проверка адекватности математической модели проведена по трем параметрам эффекта: производительности прессующего механизма 0, мощности сил полезного сопротивления N и усилию на конце шнека К.

Доверительный интервал экспериментальных результатов при достоверности 95 % не превысил ± 10 %. Относительное отклонение экспериментальных результатов от теоретических составило в среднем - для производительности 9,3 %, для мощности 18,8 %, для усилия на конце шнека 10,6 %.

В пятой главе «Совершенствование оборудования для экструдирова-Ш1Я кормов» приведены результаты параметрического и структурного синтеза шнекового прессующего механизма.-

Приведены результаты математического моделирования влияния размеров насадки на конце шнека на потребляемую мощность и производительность.

Исследовано изменение величины зазора а насадке от 0,002 м до 0,006 м и осевой протяженности насадки от 0,015 м 0,055 м. Установлено, что насадка может быть использована для регулировки процесса экструдирования, поскольку регулирует в широких пределах количество вводимой в прессуемый материал энергии и время воздействия на материал интенсивной деформации сдвига.

Выполнена оптимизация угла конуса стержня шнека пресса ПЭШ-30/4 с параметрами, аналогичными испытанным при верификации модели. Угол конуса стержня задавали 0,0,0058, 0,0115, 0,0144,0,0163 рад. Наибольший коэффициент полезного действия имеет шнек с углом конуса стержня 0 рад.

В результате анализа результатов исследований был сделан вывод об отрицательном влиянии проскальзывания материала по дну канала шнека. Для предотвращения этого явления предложена конструкция шнекового пресса, защищенная патентом Ка 2139195. Эта конструкция имеет шнек с рифлями на дне канала, препятствующими проскальзыванию материала.

Пока комбикорм не нагрелся до температуры установившегося режима, поперечное сечение фильер целесообразно увеличить по сравнению с номинальным для уменьшения нагрузок на рабочие органы пресса. В связи с этим предложена конструкции матрицы экструдера по заявке № 99107780, в которой одна из стенок фильеры подвижна, причем положение стенки регулирует упругий элемент, уравновешивающий давление на стенку. Жесткость упругого элемента такова, что обеспечивает номинальный размер сечения фильеры при достижении требуемого технологического режима.

Для изучения реологических свойств материала, движущегося в кольцевых полостях шнекового прессующего механизма в условиях больших скоростей сдвига предложена конструкция устройства по заявке № 99101728. В этом устройстве реологические свойства материала определяются при движении в цилиндрическом канале фильеры цилиндрического плунжера. Материал при этом выдавливается в зазор между стенками канала и плунжером.

В заключение выполнен расчет экономической эффективности внедрения разработанной математической модели.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ литературных источников позволяет сделать заключение о необходимости моделировать переменность режимов экструдирования по длине канала шнека, которая проявляется как в изменении реологических параметров экструдируемого материала, так и в изменении параметров шнекового канала.

2. Кусочно-постоянное представление шнекового прессующего механизма в виде системы каналов, каждый из которых образован подвижной и неподвижной параллельными плоскостями, при соблюдении условий неразрывности материальных потоков и нормальных напряжений в этих потоках позволяет построить математическую модель движения прессуемого материала в шнековом механизме, учитывающую изменение параметров шнекового канала.

3. Использование давления (сжимающих напряжений) в прессуемом материале в качестве внутренней характеристики системы шнекового прессующего механизма позволяет сформировать комплекс эффекта, описывающий масштаб процесса, его эффективность и качество получаемого полуфабриката.

4. Установлено, что насадка на конце шнека служит для интенсивного местного разогрева экструдируемого материала (вводит в материал до 30 % механической энергии, переходящей в тепловую), что облегчает последующее экструдирование через матрицу.

5. Для полной идентификации математической модели необходимо, кроме реологических свойств прессуемого материала установить длину рабочей части шнека Ь и коэффициент сопротивления на вход в фильеру с. Полученные опытные значения составили £, = 0,4 ми с —15.

6. Экспериментально установлено линейное распределение нормальных напряжений в прессуемом материале вдоль шнека. Измерения максимального давления в прессующем механизме для теплого режима экструдирования позволяют оценить его в диапазоне от 2,90 МПа до 7,55 МПа.

7. Верификация математической модели, проведенная по трем параметрам эффекта: производительности, мощности сил полезного сопротивления и максимальному усилию прессования, показала адекватность модели реальному процессу экструдирования.

8. Векторная опртимизация шнеков с изменяющимися геометрическими параметрами определила, что с увеличением угла конуса стержня шнека эффективность процесса экструдирования снижается, поэтому предпочтительнее использовать шнеки с постоянной глубиной канала.

9. По результатам проведенных исследований разработаны новые технические решения экструдеров (патент № 2139195, заявка № 99107780) и прибора для определения реологических свойств материала (заявка № 99101728).

10. Разработка экономически выгодна, т.к. чистый дисконтированный доход положительный, индекс доходности больше единицы, срок окупаемости меньше одного года.

Список литературы, опубликованной по материалам диссертации

1. Зубкова Т.М., Фисенко К.А. Формирование технологических объектов с заранее заданными свойствами. Международная научно-практическая конференция «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века». Часть 3. Оренбург 1998. - С. 81-83.

2. Полищук В.Ю., Сагитов Р.Ф., Фисенко К.А., Хаяин В.П. Измерение нормального давления в рабочей зоне шнекового пресса с помощью тензодат-чиков, укрепленных на наружной поверхности шнекового корпуса. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 3. - Оренбург: ОГАУ 1999. - С. 74-75,

3. Зубкова Т.М., Фисенко К.А. Математическое моделирование технологических объектов. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 3. - Оренбург: ОГАУ 1999. - С. 75-76.

4. Зубкова Т.М., Фисенко К.А., Рабинович Я.И., Абдрафиков Р.Н. Методика определения осевого усилия при прессовании пищевых продуктов /Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна: Сборник докладов республиканской научно-практической конференции (12-14 октября 1999 г.). Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999. - С. 10-11.

5. Зубкова Т.М., Фисенко К.А. Изменение параметров процесса прессования в одношнековых экструдерах. /Всероссийская научно-техническая конференция «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование». Тезисы докладов. Оренбург: 1999. -С. 149-150.

6. Полищук В.Ю., Зубкова Т.М., Фисенко К.А. К определению обрабатывающего воздействия на прессуемый материал в некоторых полостях рабочего пространства шнекового экструдера. Вестник ОГУ, Ка 3, 1999. - С. 121-123.

7. Полищук В.Ю., Зубкова Т.М., Фисенко К.А., Карабанов А.Н. Шнеко-вый пресс. Патент № 2139195. Б.И. № 28, 1999.

Издательство

Оренбургского государственного университета

сг" Набор текста компьютерным способом

Верстка текста (авторефераты, диссертации, брошюры, книги, газеты, журналы, бланки, визитки и т.д.)

Сканирование и компьютерная обработка изображений

^ Изготовление переплетов

Тиражирование печатной продукции от одного экземпляра...

Лицензия № ЛР02071 б от 02.11.98. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Подписано п печать 16.05.2000. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 Заказ 422

Отпечатано в Оренбургском государственной университете. 460352, г.Оренбург, ГСП, пр. Победы, 13. ИПКОГУ