автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности смешивания и подачи исходной смеси в пресс-экструдер с обоснованием параметров смесителя-дозатора

На правах рукописи

005054365

Симченкова Светлана Павловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМЕШИВАНИЯ И ПОДАЧИ ИСХОДНОЙ СМЕСИ В ПРЕСС-ЭКСТРУДЕР С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ-ДОЗАТОРА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 1 НОЯ 2012

Уфа-2012

005054365

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА) на кафедре «Механизация и технология животноводства»

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Новиков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: Юхии Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ), кафедра технологического оборудования животноводческих и перерабатывающих предприятий, заведующий кафедрой

Мальцев Виталий Сергеевич

кандидат технических наук,

ООО «Сельскохозяйственная компания «Био-

Тон», инженер сервисного отдела.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 26 октября 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 на базе ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 257/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан сентября 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ~ Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Минимизация кормовых ресурсов на производство животноводческой продукции является одним из главных резервов снижения издержек, повышения продуктивности животных и рентабельности животноводческих предприятий. Прогрессивными технологическими процессами в комбикормовом производстве являются экструдирование, экс-пандирование комбикормов и их компонентов, обеспечивающие высокую сохранность кормов и повышение их питательности и усвояемости.

Экструдирование зерна злаковых и бобовых культур является зоотехнически эффективным и экономически оправданным способом обработки кормов зерновых культур. Однако эта операция требует, больших энергетических затрат, которые повышают себестоимость готового корма, поэтому, совершенствование узлов и агрегатов пресса-экструдера, позволяющих повысить производительность машины и за счёт этого снизить энергоёмкость экструдирования кормов, является важной научно-технической задачей.

Научные исследования проводились в соответствии с темой: «Совершенствование процесса обработки зерновой смеси и продуктов её переработки с разработкой устройств для дозирования, смешивания и разделения её на фракции» РГ № 01 201177131 до 30.12.2014 г., в соответствии с планами НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА».

Цель исследований. Повышение эффективности смешивания и подачи исходной смеси в пресс-экструдер с обоснованием конструктивных и режимных параметров смесителя-дозатора.

Объект исследований. Технологический процесс и структурно-технологическая схема смешивания-дозирования кормов.

Предмет исследований. Закономерности, условия и режимы осуществления смешивания и дозирования зернового сырья смесителем-дозатором пресс-экструдера.

Методика исследований. Теоретические исследования дозатора пресс-экструдера выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, математики. Предложенные рабочие органы дозатора исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ Statistica 6.0, Mathcad 11.0а, Microsoft Office Excel 2003. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; проведением сравнительных исследований в производственных условиях.

Научная новизна.

1. Получены аналитические зависимости по определению производительности, параметров смесителя, мощности привода и энергоёмкости в за-

висимости от его конструктивно-технологических параметров и физико-механических свойств кормов;

2.Установлено уточнённое значение поправочного коэффициента, вводимого в аналитическое выражение производительности;

3.Установлены конструктивно-технологические параметры смесителя-дозатора, комплексно влияющие на производительность, точность дозирования, равномерность смешивания, энергоёмкость и определение их рациональных значений.

Новизна технических решений подтверждены патентом на изобретение №2435461 и патентом на полезную модель №110934

Практическая значимость. Разработанный смеситель-дозатор пресс-экструдера непрерывного действия, за счёт смешивания и дозирования компонентов, позволяет экструдировать кормосмесь, обеспечивает производительность 0,5...0,65 т/ч при неравномерности дозирования 2,3...5,4 % и равномерности смешивания не менее 80 %. Энергоёмкость составляет 1,7... 1,8 кВт ч/т. Смеситель-дозатор обеспечивает уменьшение приведённых затрат на экструдирование смеси кормов на 0,94 %.

Экспериментальный образец смесителя-дозатора был установлен на серийный пресс-экструдер, который прошёл производственную проверку и рекомендован актом хозяйственной комиссии к использованию.

Вклад автора в проведенное исследование. Получены аналитические выражения для определения влияния конструктивно-технологических параметров смесителя-дозатора на его производительность, мощность, энергоёмкость; проведены экспериментальные исследования смесителя-дозатора пресс-экструдера; выявлены значения оптимальных конструктивных параметров.

Реализация результатов исследований. Пресс-экструдер с экспериментальным смесителем-дозатором внедрён в СПК «имени Калинина» Исаклинского района Самарской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2010...2012 гг.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011...2012 гг.), ГНУ ВНИИМЖ Российской академии сельскохозяйственных наук (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 4 без соавторов и 5 в издании, указанных в «Перечне... ВАК», в том числе 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Общий объём опубликованных работ составляет 1,5 п.л., из них автору принадлежит 0,7 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературных источников и приложения. Содержание работы изложено на 141 с. машинописного текста, таблиц 25, иллюстраций 61, 11 с. приложений, список литературы из 117 наименований, в том числе 7 на иностранном языке.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: конструктивно-технологическая схема и конструкция смесителя-дозатора пресс-экструдера; теоретические зависимости по определению производительности, параметров смесителя, потребной мощности, энергоёмкости и основных размеров смесителя-дозатора пресс-экструдера; функциональные зависимости производительности, неравномерности дозирования, равномерности смешивания и энергоёмкости от частоты вращения вала, количества, длины, ширины и угла наклона лопастей мешалки, шага и высоты дозирующей спирали; результаты экспериментальных исследований разработанного смесителя-дозатора в лабораторных и производственных условиях с целью установления рациональных конструктивных и режимных параметров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цель и задачи исследований, основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние механизации процесса подачи материала в пресс-экструдер» представлен анализ средств подачи материала в пресс-экструдер, а также выявлено наиболее перспективное направление в их разработке, которым является применение вертикально-лопастного смесителя и скребкового дозатора.

Большой вклад по классификации и исследованию работы шнековых устройств внесли учёные Ведищев С.М., Григорьев A.M., Дидык Т.А., Дмитриев В.Ф., Завалий И.А., Курочкин A.A., Курдюмов В.И., Красников В.В., Обертышев А.И., Овчинников A.A., Орлов С.П., Павлов А.Н., Прохоров A.B., Спиваковский А.О. и многие другие. Однако многие вопросы, касающиеся изучения взаимосвязи процессов дозирования и экструдирования, в частности, при использовании подпрессовки корма при загрузке, слабо освещены.

Проведённый анализ позволил сформулировать цель исследований: повышение эффективности экструдирования кормосмесей за счёт выполнения операций подготовки и подачи продукта смесителем-дозатором, и определить задачи для её решения:

1. Разработать перспективную конструктивно-технологическую схему смесителя-дозатора пресс-экструдера, обеспечивающую смешивание нескольких компонентов, их дозирование.

2. Теоретически выявить закономерности влияния конструктивно-кинематических параметров смесителя-дозатора на основные показатели его работы.

3. Изготовить опытный образец смесителя-дозатора пресс-экструдера и экспериментально обосновать оптимальные конструктивные и режимные параметры.

4. Провести ния смесителя-дозатора в производственных условиях и оценить технико-экономическую эффективность применения результатов исследований на производстве.

Во втором разделе «Теоретические исследования процесса работы смесителя-дозатора пресс-экструдера» приведено теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров смесителя-дозатора.

Анализируя различные схемы подготовки и подачи кормов в пресс-экструдер, было выявлено, что наиболее перспективной является схема, которая предусматривает дозирование компонентов и одновременное их смешивание. Такая схема позволит повысить эффективность экструдирования кормосмесей, снизить энергоёмкость процесса и металлоёмкость конструкции.

Смеситель-дозатор состоит из корпуса 1 (рисунок 1), подшипниковых опор жёстко закреплённые относительно корпуса посредством распорок, являющиеся опорой для приводного вала 5. К валу 5 жёстко крепятся радиальные лопасти мешалки 4 размещённые радиально, дозирующая спираль 6 расположена ниже диска 7. Ко дну бункера 1 жёстко закреплена выгрузная горловина 3. Привод рабочих органов осуществляется от электродвигателя 8 посредством ремённой передачи 9 через вал

Смеситель-дозатор работает следующим образом. После загрузки компонентов включается электродвигатель 8, вал 5 с мешалкой 4 и спиралью 6 начинают вращаться, при этом, корм находящийся выше диска 7 перемешивается радиальными лопастями мешалки, а корм, просыпавшийся в радиальный зазор между диском 7 и корпусом 1, подаётся к спирали 7, которая в свою очередь, сдвигает корм по дну 2 к центру корпуса 1, где расположена выгрузная горловина и сбрасывает корм в неё. Предложенная схема смесителя-дозатора имеет ряд особенностей, что вызвало необходимость в аналитических исследованиях.

Рисунок 1 - Схема смесителя-дозатора (наименование позиций приведено в тексте)

Теоретические исследования были направлены на определение конструктивно-технологических параметров дозатора (шаг шнека, подача, мощность потребная на дозирование).

На основании анализа схемы смесителя-дозатора определили, что основными оценочными критериями работы устройства являются подача устройства, точность дозирования, потребная мощность привода и энергоёмкость дозирования, а также коэффициент уплотнения.

Рисунок 2 - Спираль дозатора Таким образом, оценочными

(наименование позиций приведено в тексте) критериями работы смесителя-Дозатора пресс-экструдера является ряд факторов: количественные - подача ля-дозатора; энергетическими показателями являются потребная мощность привода и энергоёмкость процесса; качественными показателями работы используются точность дозирования и равномерность смешивания. Основными критериями оптимизации процесса будут использованы как ственные показатели, так и энергетические - энергоёмкость.

В качестве формы спирали принимаем спираль Архимеда, уравнение которой в полярных координатах

г = г0+аср, (1)

где г,г0 - текущее и начальное (приу = 0) значение линейной координаты (радиуса); а - постоянная, зависящая от шага спирали, 5 = 2ла; (р - текущее значение угловой координаты

При условии свободного перемещения смеси в выгрузной горловине за один оборот спирали отдозируется объём корма равный У0, тогда производительность запишется в следующем виде

в=УоРсм/1, (2)

где Уа - объём смеси дозируемой за оборот спирали, м3; рсм - плотность смеси, кг/м3; г - время работы установки, с.

Объём У0 определим как произведение площади ограниченной одним витком спирали на высоту спирали

У0=Ис\г0+2т)ъ -г^ба, (3)

где Ис - высота спирали, м.

Время одного оборота спирали составит

/ = 60/л , (4)

где п — частота вращения, мин"'.

Для перевода единиц £> из (кг/с) в (т/ч) умножим на 3600 и разделим на 1ООО, получим

О- = кдКРсм4го + 2шУ ~ го 00а, (5)

где кд - экспериментальный коэффициент учитывающий изменение дозируемого объёма.

Максимальное число витков гтах укладывающиеся в бункере рассчитывается по формуле

2тах = (Л - )/Бс = (Яб - г0 )/(2да), (6)

где - радиус бункера, м; - радиус ступицы спирали, м; Бс - шаг спирали, м.

По зависимости (5) строим графики (рисунок 3) изменения производительности спирального дозатора в зависимости от высоты спирали кс (0,02 м; 0,04 м; 0,06 м; 0,08 м; 0,1 м) при радиусе выгрузной горловины 0,05 м; начальном радиусе гй-с1°с= 0,025 м, где с1сс - диаметр ступицы спирали; постоянная а равная 0,012 м, что соответствует шагу спирали Бс =75 мм; средней плотности дозируемой смеси 700 кг/м3.

Рисунок 3 - Теоретическая зависимость производительности <2 от высоты спирали

и параметра а

В процессе работы устройства мощность расходуется на преодоление сопротивлений, на перемешивание корма от трения материала о бункер, о спираль, в подшипниках и на сжатие материала.

С учётом, мощности затрачиваемой на преодоление момента сопротивления мощность на привод всего устройства запишется в следующем виде

^о ={Ксм+Мс+Ым)1т1)

(7)

гДе Нем

— мощность потребная на смешивание, Вт; Nс — мощность потребная на привод спирали, Вт; Ии - мощность, затрачиваемая для определения момента сопротивления; г/п - к.п.д. привода.

Мощность, необходимая на привод лопастей смесителя определится по следующей зависимости

Ncм=Q,5\ЪЛnzJIL2лaлbлtg2{A5 + ^-)(cosíi + fsmp + {\ + /)соб2/3вт/з). (8)

Мощность, потребная на привод спирали

рЛА

-ГА — Я

/енешре (з к-г04) к -о3))] 2 лап

24 а R6~r0

где С, = cos(90 -ц/)- ftтеш cos у, ; С2 = а2 + R26 ; С3 = а2 + г2 .

Мощность NM , затрачиваемая для определения момента сопротивле ния определится

где С4 = (sin(90-ц/) + /внеш sin у).

Энергоёмкость всего процесса определим следующим образом

кпП.КРт 4(ro + 2тУ ~го)

Рисунок 4 - Энергоёмкость работы установки в зависимости от высоты спирали и параметра а

По приведённым графикам (рисунок 4) можно сказать, что энергоёмкость уменьшается с увеличением как параметра а, характеризующий шаг спирали, так и при увеличении высоты спирали. На исследуемых интервалах факторов рациональными значениями являются: значении параметра а = 0,012 м, при этом шаг спирали составляет Sc = 0,0754 м; высота спирали hc = 0,1 м, при этом энергоёмкость составила Е = 2 кВт-ч/т.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа и методика исследований.

Программа исследований включала:

1 Разработку смесителя-дозатора, позволяющего смешивать и дозировать корм, поступающий в пресс-экструдер.

2. Выявление качественных показателей смешивания и дозирования в зависимости от количества, угла наклона и ширины перемешивающих лопастей; шага, высоты и частоты вращения спирали, вида материала и его физико-механических свойств, определение минимальной удельной энергоёмкости процесса.

3. Проверку и сопоставление теоретических и экспериментальных исследований с целью выработки рекомендаций для практических расчётов, проектирования и эксплуатации смесителя-дозатора пресс-экструдера.

4. Получение опытных данных для экономической оценки разработанного смесителя-дозатора.

Обработка полученных результатов проводилась на ЭВМ программами Statistica 6.0, Mathcad 11,0а, Microsoft Office Excel 2003.

Экспериментальные исследования проводились для отыскания оптимальных и рациональных значений конструктивно-технологических параметров рабочих органов дозатора на основе проведения серий многофакторных экспериментов.

Методика проведения экспериментальных исследования предусматривала, кроме проверки теоретических положений, также сочетание факторного анализа и теории многофакторного планирования с учётом предложенной конструктивной схемы. Проводилось предварительное уточнение физико-механических свойств дозируемых кормов. Осуществлялся поиск рациональных параметров рабочих органов смесителя-дозатора.

Критериями оценки работы устройства являлись производительность, неравномерность дозирования, равномерность смешивания, энергоёмкость. За основной критерий оптимизации принята производительность, а за дополнительный — энергоёмкость дозирования.

Методика проведения замеров соответствовала руководящему документу РД 10.19.2.-90. Производительность определялась взвешиванием порций корма с помощью весов, замер времени осуществлялся секундомером, потребляемая мощность - частотным преобразователем Telemecanique ATV31H055M2. Повторность опытов трёхкратная.

В четвертом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» уточнены значения физико-механических свойств используемой смеси кормов, получены экспериментальные зависимости производительности, неравномерности дозирования и равномерности смешивания от конструктивных параметров, определена энергоёмкость процесса.

Выявлено влияние на производительность смесителя-дозатора частоты вращения и шага шнека. Получено уравнение регрессии (рисунок 6), описывающее производительность (т/ч) в зависимости от этих показателей 2 = -0,0561 + 0,0022л + 0,00115с - 0,0002/гс -

- 0,00007«5С - 0,00009пИс - 0,0000065, Ьс + 0,000009и5с Нс. (12)

Из анализа графической интерпретации полученных результатов экспериментов (рисунки 6, 7) видно, что смеситель-дозатор обеспечивает необходимые пределы варьирования производительности, определяемые производительностью пресс-экструдера.

Для определения применимости теоретических зависимостей по определению производительности построили график (рисунок 7) сравнения данных полученных аналитическим путём, рассчитанных по формуле (12) с учётом конкретных значений физико-механических свойств смеси, параметров смесителя-дозатора и данных полученных экспериментальным путём.

В качестве переменной была выбрана частота вращения и, остальные параметры зафиксированы в средних своих значениях: шаг спирали = 70 мм, высота спирали Нс = 80 мм. Корреляция составила 0,99, Б-тест 0,94. Поправочный коэффициент к0 , вводимый в уравнение (5), равен ка = 0,95.

Рисунок 5 - Производительность сме- Рисунок 6 - Производительность смесителя-дозатора при различной высо- сителя-дозатора при высоте спирали те спирали 80 мм

О 5 10 15 20 25

Частота вращения п, мин —*—Теоретические значения — Экспериментальные значения Рисунок 7 — Сходимость теоретических и экспериментальных данных по производительности

При исследовании неравномерности дозирования, также было получено уравнение регрессии, адекватно описывающее данные эксперимента

дд = 87,723-2,8005«-0,806585,. -0,9127йс + 0,000388и5с -

- 0,000212и/гс -0,000025Д. +0,0924и2 +0,00585с2 +0,0058/гс2. (13)

По зависимости (13) были построены графики, изображённые на рисунке 8 и 9.

Рисунок 8 - Неравномерность дозирования в зависимости от шага спирали 5С и частоты вращения п при различной высоте спирали Ис

Частота вращения а, мин 1 Рисунок 9 — Неравномерность дозирования в зависимости от шага спирали 5С и частоты вращения п при высоте спирали ¡гс = 80 мм

Было исследовано влияние конструктивно-режимных параметров смесителя-дозатора на равномерность смешивания компонентов смеси Р = 11,13 + 2,021 п - 0,8215гл + 1,33ал + 0,7892а - 0,031 Ътл --0,0388пал + 0,0019исг + 0,0091глал - 0,0141гла - 0,0016ала+ + 0,0061и2 + 0,2883гл -0,0084а2 -0,0084а2. (14)

Рисунок 10 — Зависимость равномерности смешивания от частоты вращения рабочих органов п и числа лопастей мешалки гл при фиксированной ширине-лопасти ал = 40 мм и угле постановки лопастей а = 20°

О .1 10 15

Частота вращения п. мин'1

Рисунок 11 - Зависимость равномерности смешивания от частоты вращения рабочих органов п и числа лопастей мешалки при фиксированной ширине-лопасти ал = 40 мм и угле постановки лопастей а - 200

Рисунок 12 - Зависимость равномерности смешивания от ширины лопасти ая и угла наклона лопасти а при постоянной частоте вращении п = 15 мин1 и трёх значениях числа лопастей мешал-

Ширншз 1СПЭСТП мм

Рисунок 13 - Зависимость равномерности смешивания от ширины лопасти а„ и угла наклона лопасти а при постоянной частоте вращении п = 15 мин' и числе лопастей мешалки г„ — 8 шт.

Исследовано влияние конструктивно-режимных параметров на энергоёмкость процесса (рисунок 14)

Е = 3,2641 - 0,00655с + 0,00103/гс - 0,00025сИс. (15)

Анализируя данные проведённого эксперимента можно утверждать, что энергоёмкость процесса выполняемого смесителем-дозатором в основном зависит от параметров дозирующей спирали и лопасти смесителя оказывают незначительное влияние. Это связано с тем, что дозирующая спи-

раль находится на дне бункера на неё и на смещаемый ею корм действует вес всего остального корма, находящегося в бункере над спиралью.

50 60 70 80 90

Шаг спирали Б., мм

Рисунок 14 - Энергоёмкость процесса

В результате экспериментальных исследований смесителя-дозатора пресс-экструдера были определены рациональные значения его конструктивно-режимных параметров исходя из потребной производительности О = 0,5..0,65 т/ч, соответствующая производительности пресс-экструера: частота вращения вала с рабочими органами 8,00... 15,00 мин"1; шаг спирали 5С = 70 мм; высота спирали Нс = 80 мм; число лопастей смесителя 8; ширина лопасти ал = 40..50 мм; угол наклона лопастей а = 35...40 град, при размерах бункера: диаметр 400 мм, высота 430 мм, диаметр горловины 90 мм; при этом неравномерность дозирования составляет 2,31...5,46 %; равномерность смешивания Р = 77... 82,86 %; энергоёмкость Е = 1,7... 1,8 кВт ч/т.

В пятом разделе «Исследования смесителя-дозатора пресс-экструдера в производственных условиях. Экономическая оценка результатов исследований» приведены результаты исследований в производственных условиях смесителя-дозатора пресс-экструдера, а также экономические расчёты, подтверждающие эффективность применения разработанного устройства. Применение экспериментального смесителя-дозатора позволило снизить затраты при экструдировании смеси кормов на 287,03 руб./т. За счёт снижения приведённых затрат на 0,94 % годовой экономический эффект от внедрения экспериментального дозатора составил 76480,00 руб. (в ценах на декабрь 2011 года), а срок его окупаемости 1,08 года.

Общие выводы

1. Разработанная конструктивно-технологическая схема смесителя-дозатора пресс-экструдера (патент №110934) и изготовленный на её основе

экспериментальный образец позволили повысить функциональность серийно выпускаемого экструдера при экструдировании смеси из различных кормов.

2. Аналитически установлено влияние конструктивно-технологических параметров смесителя-дозатора на его производительность, мощность, энергоёмкость, а также определены значения конструктивных параметров.

3. Проведённые экспериментальные исследования разработанного устройства позволили выявить уравнения регрессии производительности, неравномерности дозирования, равномерности смешивания и энергоёмкости, а также определены рациональные режимы и конструктивно-технологические параметры устройства: потребная производительность Q - 0,5..0,65 т/ч; частота вращения вала с рабочими органами 8,00... 15,00 мин'1; шаг спирали Бс = 70 мм; высота спирали Лс = 80 мм; число лопастей смесителя 8; ширина лопасти ал = 40..50 мм; угол наклона лопастей а = 35...40 град, при размерах бункера: диаметр 400 мм, высота 430 мм, диаметр горловины 90 мм; при этом неравномерность дозирования составляет Д0 2,31...5,46 %; равномерность смешиванияР = 77...82,86%; энергоёмкостьЕ = 1,7...1,8 кВтч/т.

Уточнено значение поправочного коэффициента, вводимого в аналитическое выражение производительности смесителя-дозатора - * = 0,95.

4. Исследования в производственных условиях показали высокую эффективность предложенного решения. Расчёт показателей экономической эффективности показал экономическую целесообразность применения разработанного смесителя-дозатора в серийных моделях экструдеров. Годовой экономический эффект от внедрения составил 76480,00 руб., срок окупаемости инвестиций - 1,08 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Симченкова С.П. Обоснование параметров лопастной мешалки / В.В. Новиков, С.П. Симченкова // Вестник Ульяновской ГСХА. - Ульяновск, 2011, №2, С. 104... 108.

2. Симченкова С.П. Обоснование конструктивно-технологической схемы смесителя-дозатора / С.П. Симченкова // Вестник Ульяновской ГСХА,. -Ульяновск, 2012, №2, С. 111...114.

3. Симченкова С.П. Результаты экспериментальных исследований неравномерности дозирования смеси кормов смесителем-дозатором пресс-экструдера / В.В. Новиков, А.Л. Мишанин, С.П. Симченкова, Ю.В. Абрамов // Известия Самарской ГСХА. - Самара, 2012, № 3, С. 122... 125.

4. Симченкова С.П. Результаты экспериментальных исследований энергоемкости подготовки кормов смесителем-дозатором пресс-экструдера /

В.В. Новиков, С.П. Симченкова, A.C. Грецов // Известия Самарской ГСХА - Самара, 2012, № 3, С. 112...116.

5. Симченкова С.П. Смеситель-дозатор пресс-экструдера / С.П. Симченкова // Сельский механизатор. - Москва, 2012, № 3, С. 9.

Патенты на изобретения

6. Пат. 110934 Российская Федерация, МПК7 А 23N 17/00. Смеситель-дозатор пресс-экструдера / В. В. Новиков, Г. С. Мальцев, С. П. Симченкова; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - № 2011109182/13; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34. - 10 е.: ил.

7. Пат. 2435461 Российская Федерация, МПК7 А 23 N 17/00. Смеситель-дозатор пресс-экструдера / заявители : Л.В. Иноземцева, В.В. Коновалов, В.В.Новиков, Г.С. Мальцев, Д.Н. Азиаткин, С.П. Симченкова; патентообладатель ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - №2010125628 ; заявл. 22 06 10 -опубл. 10.12.11.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

8. Симченкова С.П. Методика и результаты определения физико-механических свойств кормов / В. В. Новиков, С.П. Симченкова, Д.Н. Азиаткин // Образование, наука, практика: инновационный аспект. Сборник материалов международной научно-практической конференции, посвящённой 60-летию ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» , т. 2 - Пенза : Пензенская ГСХА, 2011, С. 196... 198.

9. Симченкова С.П. Классификация смесителей-дозаторов пресс-экструдеров / С.П.Симченкова // Образование, наука, практика: инновационный аспект. Сборник материалов международной научно-практической конференции, посвящённой 60-летию ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» , т. 2 - Пенза : Пензенская ГСХА, 2011, С. 198...202.

10. Симченкова С.П. Результаты исследования смесителя-дозатора пресс-экструдера в производственных условиях ООО АПК «Красный ключ» / С.П. Симченкова // Сборник научных трудов «Вклад молодых учёных в науку Самарской области» - РИЦ Самарской ГСХА, 2012, С. 189... 192.

ЛР № 020444 от 10.03.98 г. Подписано в печать 24.09.2012 г. Формат 60x84 1/16. Объём 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 250. Отпечатано с готового оригинал-макета в Редакционно-издательском центре Самарской ГСХА. 446442, Самарская обл., nrr. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2. Тел.: (84663) 46-2-44, 46-2-47.

ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописц

г /

12- ■/

/(■■ О

к/и //

Симченкова Светлана Павловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМЕШИВАНИЯ И ПОДАЧИ ИСХОДНОЙ СМЕСИ В ПРЕСС-ЭКСТРУДЕР С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ-ДОЗАТОРА

Специальность 05.20.01 -технологии и средства механизации сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Новиков В.В.

Уфа 2012

РЕФЕРАТ

Объём диссертации составляет 141 страница машинописного текста, таблиц 25, иллюстраций 61, 11 с. приложения, список литературы из 117 наименований, в том числе 7 на иностранном языке.

Ключевые слова: пресс-экструдер, смеситель-дозатор, спираль, лопасть, неравномерность дозирования, равномерность смешивания, смесь.

Объектом исследования является технологический процесс и структурно-технологическая схема смешивания-дозирования кормов.

Предметом исследования были закономерности, условия и режимы осуществления смешивания и дозирования зернового сырья смесителем-дозатором пресс-экструдера.

На основе анализа механизации экструдирования, смешивания и^дозирова-ния были выявлены наиболее перспективные решения, намечены пути совершенствования процесса экструдирования смесей, предложена новая конструктивно-технологическая схема смесителя-дозатора пресс-экструдера, представляющая собой бункер с лопастным смесителем ниже которого расположен спиральный дозатор, позволяющая повысить эффективность экструдирования смеси кормов. Новизна решения подтверждена патентом РФ на полезную модель № 110934.

Представлены теоретические исследования предложенной схемы устройства, аналитически определена производительность и мощность, необходимая на привод, основные конструктивные параметры.

Приведены результаты и анализ экспериментальных исследований, подтверждающие теоретические выводы с достаточной точностью и позволившие определить оптимальные (рациональные) параметры устройства.

Пресс-экструдер с установленным на нём экспериментальным смесителем-дозатором прошёл производственную проверку в линии приготовления комбинированных кормов в СПК имени Калинина Исаклинского района Самарской области. В ходе производственных исследований была подтверждена эффективность разработанного устройства, при этом годовой экономический эффект от внедрения разработки составил 76480,00 руб.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ.................................................................................................................2

СОДЕРЖАНИЕ.......................................................................................................3

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

1 СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ПОДАЧИ МАТЕРИАЛА В ПРЕСС-ЭКСТРУДЕР............................................................................................Ю

1.1 Анализ конструкций питателей пресс-экструдеров............................10

1.2 Требования, предъявляемые к питателям пресс-экструдеров............14

1.3 Классификация смесителей-дозаторов пресс-экструдеров................15

1.4 Анализ экспериментальных и теоретических исследований смешивание и дозирования кормосмесей.......................................................18

1.5 Цель и задачи исследований..................................................................40

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ СМЕСИТЕЛЯ-ДОЗАТОРА ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА.........................................42

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства. Схема проведения исследований................................................42

2.2 Обоснование производительности смесителя-дозатора.....................49

2.3 Обоснование параметров лопастной мешалки.....................................54

2.4 Затраты энергии на смешивание-дозирование материала..................60

Выводы...............................................................................................................71

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................72

3.1 Программа экспериментальных исследований....................................72

3.2 Общая методика экспериментальных исследований..........................75

3.3 Описание лабораторной установки.......................................................76

3.4 Методика экспериментальных исследований......................................80

3.4.1 Методика определения физико-механических свойств кормов ...........................................................................................................80

3.4.2 Методика определения производительности, неравномерности дозирования....................................................................81

3.4.3 Определение равномерности смешивания...................................84

3.4.4 Методика определения удельной энергоёмкости........................85

3.5 Методика обработки результатов..........................................................87

Выводы...............................................................................................................88

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................89

4.1 Результаты определения физико-механических свойств кормов и производительности смесителя-дозатора.......................................................89

4.2 Определение неравномерности дозирования.......................................95

4.3 Определение равномерности смешивания............................................99

4.4 Определение энергоёмкости процесса................................................104

Выводы.............................................................................................................109

5 ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕСИТЕЛЯ-ДОЗАТОРА ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..........110

5.1 Исследования в производственных условиях.....................................110

5.1.1 Описание производственной установки.....................................110

5.1.2 Описание технологической линии...............................................111

5.1.3 Результаты исследований в производственных условиях........112

5.2 Определение абсолютных экономических показателей и

сравнительной эффективности оборудования..............................................113

Выводы.............................................................................................................117

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................131

Приложение А..................................................................................................132

Приложение Б..................................................................................................134

Приложение В..................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Переход экономики России на инновационный путь развития в условиях глобализации и всё более глубокой интеграции страны в мирохозяйственные связи, рост открытости экономики, является императивом для сохранения устойчивых темпов экономического роста в среднесрочной и долгосрочной перспективах.

Несмотря на то, что рост агропродовольственного экспорта обгонял рост импорта, Россия по-прежнему сохраняет традиционное положение нет-то-импортёра продовольственной продукции. Поставки мяса по-прежнему остаются основной статьей всего агропродовольственного импорта. Ограниченные возможности отечественных производителей пока не могут в полной мере удовлетворить растущий внутренний спрос [16, 31, 52, 73].

В этой связи основными целями государственной политики в долгосрочной перспективе являются:

- обеспечение потребностей населения сельскохозяйственной продукцией и продовольствием за счёт отечественного производства;

- повышение конкурентоспособности отечественного аграрного комплекса, эффективное импортозамещение на рынке животноводческой продукции и создание развитого экспортного потенциала (особенно в растениеводстве);

- улучшение и повышение продуктивности используемых в сельскохозяйственном производстве земельных и других природных ресурсов.

В 2020 году по отношению к 2007 году уровень производства продуктов питания планируется увеличить в 1,9 раза. Валовой сбор зерновых культур в 2020 году может достичь не менее 120... 125 млн. тонн в результате роста урожайности с 19,8 ц/га в 2007 г. до не менее 26...28 ц/га в 2020 г. и расширения их посевных площадей. При этом потенциальный уровень производства зерна на основе использования интенсивных технологий и высокой агротехнической культуры позволит России превратиться в одного из веду-

щих экспортеров на мировом зерновом рынке.

К 2020 году Россия может выйти на уровень душевого потребления мяса, молока, соответствующий рекомендуемой рациональной норме. Производство мяса возрастет в 1,7 раза, молока - на 27 %. Доля импорта в мясных ресурсах снизится с 34 % в 2007 году до 12 % в 2020 году, доля импорта молока в ресурсах - с 17% до 12% соответственно. Потребление мяса будет практически полностью удовлетворяться за счёт собственного производства.

Для достижения указанных показателей необходимо проводить развитие АПК по инновационному варианту, предусматривающий реализацию в полном объёме мер, определенных «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008...2012 годы» [23, 73, 97].

Целями Программы на 5-летний период являются:

- устойчивое развитие сельских территорий, повышение занятости и уровня жизни сельского населения;

- повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на основе финансовой устойчивости и модернизации сельского хозяйства, а также на основе ускоренного развития приоритетных подотраслей сельского хозяйства;

- сохранение и воспроизводство используемых в сельскохозяйственном производстве земельных и других природных ресурсов.

Одна из задач целевой программы: обеспечение ускоренного развития приоритетных подотраслей сельского хозяйства, прежде всего животноводства, на основе доведения удельного веса племенного скота в общем объёме поголовья сельскохозяйственных животных до 13 %, а также на основе доведения удельного веса площади, засеваемой элитными семенами в общей площади посева, до 15 % (научно обоснованная норма).

Увеличение производства животноводческой продукции к 2012 году планируется обеспечить на уровне 32,9 % по отношению к 2006 году, при этом ежегодный рост индекса производства продукции животноводства на-

чиная с 2009 года должен составить не менее 5 %. Вместе с тем объём производства скота и птицы (в живом весе) к 2012 году по сравнению с 2006 годом предположительно достигнет 11,4 млн. тонн, что составит 42,9 %. К 2012 году производство молока достигнет 37 млн. тонн, что превысит уровень 2006 года на 17,8 %. Целью осуществления мероприятий по поддержке племенного животноводства является формирование племенной базы, обеспечивающей потребность отечественных сельскохозяйственных товаропроизводителей в племенной продукции (материале). Реализация мер по поддержке племенного животноводства осуществляется также посредством поставок по лизингу племенного скота и современного оборудования для животноводческих комплексов и ферм. Общий объём финансирования Программы в 2008...2012 годах за счёт средств федерального бюджета составит 551,3 млрд. рублей, в том числе в 2012 году - 130 млрд. рублей [23, 31, 103].

Современное сельскохозяйственное производство немыслимо без экономичного и высокопроизводительного оборудования, позволяющего рационально использовать трудовые, сырьевые ресурсы хозяйства, снизить себестоимость конечной продукции. В животноводстве по-прежнему основной статьёй затрат остаётся кормление, в структуре себестоимости корма занимающее 50...70 %. Поэтому минимизация кормовых ресурсов на производство животноводческой продукции является одним из главных резервов снижения издержек, повышения продуктивности животных и рентабельности животноводческих предприятий [2, 39, 78, 106].

Учитывая сложную экономическую обстановку в сельскохозяйственном производстве, важным направлением технического прогресса в механизации и автоматизации животноводства на рассматриваемый период является модернизация действующей техники, расширение её технологических возможностей. Особенно необходимо и целесообразно производить модернизацию техники, отличающейся высокой металлоёмкостью. Замена в них морально устаревших узлов и агрегатов позволяет повысить их технический уровень с минимальными инвестициями [39].

Разработка концепции синтеза процессов и оборудования для производства комбикормов на основе экструзионных технологий актуальна [40] и одним из основных путей реализации данной концепции является расширение возможности существующих экструзионных машин за счёт совершенствования вспомогательного оборудования.

Данная работа выполнена в соответствии с темой: «Совершенствование процесса обработки зерновой смеси и продуктов её переработки с разработкой устройств для дозирования, смешивания и разделения её на фракции» РГ№ 01 201177131 до 30.12.2014 г.

Объект исследований. Технологический процесс и структурно-технологическая схема смешивания-дозирования кормов.

Предмет исследования. Закономерности, условия и режимы осуществления смешивания и дозирования зернового сырья смесителем-дозатором пресс-экструдера.

Научную новизну составляют:

- аналитические зависимости по определению производительности, параметров смесителя, мощности привода и энергоёмкости в зависимости от его конструктивно-технологических параметров и физико-механических свойств кормов;

- уточнённое значение поправочного коэффициента, вводимого в аналитическое выражение производительности;

- конструктивно-технологические параметры смесителя-дозатора, комплексно влияющие на производительность, точность дозирования, равномерность смешивания, энергоёмкость и определение их рациональных значений.

Практическая значимость. Разработанный смеситель-дозатор пресс-экструдера непрерывного действия, за счёт смешивания и дозирования компонентов, позволяет экструдировать кормосмесь, обеспечивает производительность 0,5...0,65 т/ч при неравномерности дозирования 2,3...5,4 % и равномерности смешивания не менее 80 %. Энергоёмкость составляет 1,7... 1,8 кВтч/т. Смеситель-

дозатор обеспечивает уменьшение приведённых затрат на экструди-рование смеси кормов на 0,94 %.

Экспериментальный образец смесителя-дозатора был установлен на серийный пресс-экструдер, который прошёл производственную проверку и рекомендован актом хозяйственной комиссии к использованию.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема и конструкция смесителя-дозатора пресс-экструдера;

- теоретические зависимости по определению производительности, параметров смесителя, потребной мощности, энергоёмкости и основных размеров смесителя-дозатора пресс-экструдера;

- функциональные зависимости производительности, неравномерности дозирования, равномерности смешивания и энергоёмкости от частоты вращения вала, количества, длины, ширины и угла наклона лопастей мешалки, шага и высоты дозирующей спирали;

- результаты экспериментальных исследований разработанного смесителя-дозатора в лабораторных и производственных условиях с целью установления рациональных конструктивных и режимных параметров.

Реализация результатов исследований.

Экспериментальный смеситель-дозатор был установлен на серийный экстру-дер КМЗ-2У линии приготовления экструдированных кормов в СПК имени Калинина Исаклинского района Самарской области.

Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2010.. .2012 гг.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011.. .2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 без соавторов и 2 в издании, указанных в «Перечне .. .ВАК». Общий объём опубликованных работ составляет 0,8 п.л., из них автору принадлежит 0,6 п.л.

1 СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ПОДАЧИ МАТЕРИАЛА

В ПРЕСС-ЭКСТРУДЕР

1.1 Анализ конструкций питателей пресс-экструдеров

Для подачи кормов при экструдировании применяются питатели непрерывного действия преимущественно объёмного типа. Их можно разделить на два больших класса (рисунок 1.1) дозаторы и смесители-дозаторы.

Преимущественно в линиях экструдирования применяются шнековые дозаторы, которые позволяют уменьшить габариты всей установки, то есть компактно располагаются под бункером с кормом, позволяют выгружать материалы с достаточно большим различием в физико-механических свойствах, но в то же время шнековые дозаторы имеют большую энергоёмкость (до 3 кВт-ч/т) и неравномерность дозирования [34, 98, 100, 107, 109].

Рисунок 1.1- Питатели пресс-экструдеров

Шнековые дозаторы (рисунок 1.2) применяют в тех случаях, когда некоторое измельчение материалов не имеет значения, в основном используют для дозирования сыпучих и влажных видов кормов. Такие дозаторы можно устанавливать горизонтально и наклонно. Их характеризует широкий диапазон регулирования подачи, который осуществляется путём варьирования частоты вращения [15, 28, 29, 66, 81, 83, 92].

Для процессов, в которых требуется высокая точность дозирования, множество отечественных и зарубежных фирм предлагают дозирующее оборудование, которое позволяет дозировать кор�