автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов

На правах рукописи

Грецов Алексей Сергеевич

РАЗРАБОТКА НОЖЕВОГО ПРЕССА ДЛЯ ДЕГИДРАТАЦИИ РЫБНЫХ ОТХОДОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИКОРМОВ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

- 7 ОКТ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пенза-2015 005563017

005563017

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВО Самарская ГСХА)

Научный руководитель Новиков Владимир Васильевич

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Мухин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК»

Терюшков Вячеслав Петрович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Технический сервис машин»

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» ( ФГБОУ ВО Рязанский ГАТУ )

Защита состоится 20 ноября 2015 года в 13™ часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА и на сайте http://pgsha.penza.net/.

Автореферат разослан «22» сентября 2015г.

Ученый секретарь ;

диссертационного совета / О -Чд <>. ^ Мачнев А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследований. Основной проблемой, стоящей перед животноводством, является нехватка концентрированных кормов, и особенно кормов животного происхождения. По данным Минсельхоза России, обеспеченность концентрированными кормами на период 2014...2015 гг. в целом по стране составила 8,9 млн. тонн кормовых единиц, что соответствует лишь 94 % от общей их потребности. Таким образом, интенсивный рост производства продукции животноводства невозможен без опережающего роста производства концентрированных кормов. В настоящий момент сдерживающими факторами роста производства концентрированных кормов является нехватка производственных мощностей и дефицит кормов животного происхождения. При этом остро стоит вопрос с рыбной мукой, которая является источником незаменимых аминокислот и витаминов, отсутствующие в других кормах животного происхождения. Перспективной технологией для переработки рыбных отходов на корм с.-х. животным является экструдирование. За счёт баротермиче-ского воздействия на перерабатываемый продукт, экструдирование позволяет в короткие сроки переработать рыбные отходы в питательные корма, обладающие большим сроком хранения и, тем самым восполнить потребность в кормах животного происхождения при производстве комбикормов. Экструдирование рыбных отходов напрямую невозможно, так как они имеют большую влажность, достигающую 80 %. В связи с этим возникает техническая задача - дегидратация рыбных отходов при их экструдировании, т. е. частичное удаление влаги из рыбных отходов до значений (25 ... 30%), требуемых для экструзион-ного процесса переработки смеси рыбных отходов с зерновыми отходами.

Таким образом, разработка устройств, позволяющих осуществлять процесс дегидратации рыбных отходов перед экспедированием при производстве комбикормов, является актуальной научной и практически значимой задачей.

Степень разработанности темы. Проблемами совершенствования процесса переработки продуктов рыбной промышленности занимались российские и зарубежные учёные. Ими предложены различные способы переработки рыбных отходов в кормовые продукты (измельчение на кормовой фарш, измельчение с последующей инфракрасной сушкой в вакууме или СВЧ-сушкой при производстве ферментированной рыбной муки, гидролитическое извлечение ферментов и т.д.), обоснованы режимы работы предложенных установок. Вместе с тем, ряд исследователей отмечают эффективность применения экструзи-онной технологии при переработке рыбных отходов на корм, однако недоисс-ледованными остаются вопросы эффективной подготовки сырья по влажности

перед подачей в экструдер.

Основной задачей при подготовке рыбных отходов к экспедированию является их дегидратация, так как при высокой влажности достичь требуемого качества процесса экструзии невозможно. Для решения данной проблемы исследователями предлагается ряд способов: двойное экструдирование - последовательная обработка рыбных отходов на двух экструдерах, экструдирование измельчённых рыбных отходов в смеси с сухими растительными компонентами, а также предварительное измельчение или прессование до требуемой влаж-

ности. При этом авторами рассматриваются отдельные конструктивные параметры измельчителей, что не учитывает комплекс технологических параметров агрегатов, удовлетворяющих современным требованиям с. х. производства. Однако эти способы и устройства для их реализации трудоемкие и энергозатратные. Поэтому в диссертационной работе предлагается использовать ножевой пресс для дегидратации рыбных отходов.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Самарская ГСХА.

Цель исследований - разработка ножевого пресса для удаления влаги из рыбных отходов при производстве комбикормов методом экструзии.

Задачи исследований:

1. Разработать перспективную схему и конструкцию ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов, обеспечивающего доведение влажности рыбных отходов до 25 ... 30% при производстве комбикормов методом экструзии.

2. Теоретически обосновать конструктивные и режимные параметры ножевого пресса и оценить их влияние на влажность конечного продукта, энергоёмкость процесса дегидратации и производительность ножевого пресса.

3. Изготовить опытный образец ножевого пресса, экспериментально уточнить его оптимальные конструктивные и режимные параметры в лабораторных условиях.

4. Провести исследования разработанного ножевого пресса с оптимальными конструктивными и режимными параметрами в производственных условиях и оценить экономическую эффективность применения результатов исследований на производстве.

Обьекг исследований. Технологический процесс дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов.

Предмет исследования. Закономерности, условия и режимы дегидратации рыбных отходов на разработанном ножевом прессе.

Научную новизну работы составляют:

- аналитические зависимости по определению формы рабочего органа (подвижного ножа) ножевого пресса, величины выхода влаги, мощности на привод подвижных ножей и производительности ножевого пресса;

- оптимальные значения конструктивных и режимных параметров ножевого пресса, комплексно влияющих на процесс дегидратации, его энергоёмкость и производительность ножевого пресса;

- конструкция ножевого пресса.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель № 139850.

Практическая значимость результатов исследований. Использование ножевого пресса в условиях с.-х. предприятия позволяет обеспечить производительность ножевого пресса 0,30...0,35 т/ч и энергоемкость процесса дегидратации 5,7 кВтч/т при влажности конечного продукта 25...30%, уменьшить приведённые затраты на дегидратацию рыбных отходов по сравнению с базовым вариантом устройства (силовым измельчителем ИК-500).

Реализация результатов исследований. Опытный образец ножевого пресса прошел эксплуатационную проверку в условиях ООО «СамараЮгКор-ма» Самарской области

Научные положения н результаты исследований, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости по определению формы рабочих органов (подвижных ножей) ножевого пресса, влажности конечного продукта, производительности ножевого пресса и потребляемой мощности;

- конструкция ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов;

- функциональные зависимости влажности рыбных отходов, производительности ножевого пресса и энергоёмкости процесса дегидратации от частоты вращения ножевого вала и угла расположения загрузочной горловины ножевого пресса;

- регрессионные модели, характеризующие зависимость влажности конечного продукта, производительности и энергоёмкости от конструктивных и режимных параметров ножевого пресса, а также их оптимальные и рациональные значения.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена сравнительными исследованиями разработанного ножевого пресса и базового силового измельчителя ИК - 500; сходимостью теоретических расчетов производительности ножевого пресса с результатами экспериментальных исследований; использованием методов математической статистики и теории многофакторного эксперимента; применением современных приборов и средств измерения, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.

Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2010...2014 гг.), ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Пензенский ГТУ», ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Иркутская ГСХА» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина» (2014 г.) и опубликованы в периодических изданиях «Наука центральной России» (Тамбов, 2014 г.), «Сельский

механизатор» (2015 г.) и др.

Технические решения и результаты исследований демонстрировались на региональных и всероссийских выставках. По итогам работы XIV Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (2012г., Москва, ВВЦ), автор награжден Золотой медалью за разработку «Экструдера по переработке мясорыб-ных отходов», XVI Поволжской агропромышленной выставки (2014г., п.г.т. Усть-Кинельский) Серебреной медалью. В 2014 году работа, выполненная в рамках научных исследований на получение гранта, стала победителем конкурсной программы «Молодой ученый 2014» Самарской области в номинации аспирант.

Публикации. По теме работы опубликовано 15 научных работ, из них 5 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, получен патент на полезную

модель №139850 и патент на изобретение № 2490928, без соавторов опубликованы 3 статьи. Общий объем публикаций составляет 4,08 п.л., из них автору принадлежит 2,18 пл.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 155 е., состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 127 наименований и приложения на 11 е., содержит 65 рис. и 27 табл..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследований» на основе литературного обзора и анализа существующих технических средств разработана классификация принципов и способов дегидратации рыбных отходов (рис. 1 ), позволяющая выбрать наиболее перспективное направление при разработке конструктивной схемы ножевого пресса.

Рисунок 1 -Классификация принципов и способов дегидратации рыбных отходов

Исследованиям в области переработки рыбных отходов посвящены работы Л.В. Антиповой, Н.П. Боевой, Т.М. Бойцовой, М.М. Дяченко, До Ле Хыу Нам, Л.Н. Егоровой, В.А. Исаева, Као Тхи Хуе, В.И. Мрочкова, М.Д. Мукато-вой, A.C. Помоз, Л.И. Прудченко, В.И. Трещёвой, Ю.В. Устиновой, E.H. Ха-ренко, И. И. Щавель, Д.С. Язенковой, А.П. Ярочкина и др. ученых, в которых рассмотрены вопросы увеличения выхода кормовой продукции, расширения её ассортимента, сохранения и улучшения качества, удлинения сроков хранения. Однако вопрос переработки рыбных отходов при производстве комбикормов методом экструзии остается недостаточно изученным.

На основании анализа научной и патентной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров ножевого пресса» приведено теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров ножевого пресса.

Для дегидратации рыбных отходов были разработаны две конструкции ножевого пресса (патент № 2490928 и № 139850): с вертикальным и горизонтальным расположением рабочих органов.

На основании анализа эффективности осуществления технологического процесса дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов методом экструзии был изготовлен и исследован ножевой пресса с горизонтальным расположением рабочих органов (рис. 2), состоящий из корпуса 1, на котором установлен загрузочный бункер 2, а внутри находятся рабочие органы: подвижные ножи 5 на приводном валу 3 и неподвижные криволинейные ножи 4 прикрепленные к неподвижному диску, образующему днище корпуса 1. Сбоку в корпусе предусмотрено выгрузное окно 6 с лотком 7, а в днище корпуса сливное отверстие 8.

V/ V д

Рисунок 2 - Конструктивная схема ножевого пресса: 1 - корпус; 2 - загрузочный бункер; 3 - приводной вал; 4 - неподвижный криволинейный нож; 5 - подвижный нож; б - выгрузное окно; 7-лоток; 8 - сливное отверстие

Устройство работает следующим образом. Исходный материал, подлежащий переработке, из загрузочного бункера 2 поступает в корпус 1, захватывается подвижными ножами 5, а затем, попадая в пространство между подвижным ножом 5 и неподвижным криволинейным ножом 4, начинает перемещаться к стенке корпуса (за счёт действия центробежной силы). Одновременно с этим измельчённая масса, оказавшись в пространстве - в плоскости между подвижным ножом и неподвижным криволинейным ножом, подвергается сжатию за счёт уменьшения объёма пространства. При этом происходит отток (выжимание) жидкой фракции от составляющей основу продукта. Обезвоженная масса через выгрузное окно 6 и лоток 7 сбрасывается в отгрузочную тару, а жидкая фракция через сливные отверстия 8 в канализацию.

Элементарная частица представлена в виде материальной точке, удаленной от точки «О» центра вала на расстоянии «г» (рис. 3).

Для выбора формы подвижного ножа рассмотрен анализ сил, действующих на элементарную частицу.

При контакте вращающейся поверхности с некоторым количеством субстрата фрагмент последнего испытывает на себе действие центробежной силы и силы реакции динамического напора. Инерционные, сила трения и всевозможные «паразитные» силы можно считать пренебрежимо малыми.

При рассмотрении действия контактной поверхности на элемент субстрата при вращательном движении вокруг вертикальной оси на упомянутый элемент действуют две элементар-

о' —I

Рисунок 3 - Схема движения элементарной

частицы субстрата (рабочей среды): F„ - центробежная сила, N„ - сила нормального давления: /?„ ,,. - сила реакции: г - текущий радиус; <р -угол поворота: <рп - начальный угол режущей кромки:г0 - начальный радиус; dr - элементарное приращение радиуса; dq> - элементарное приращение угла поворота;FCK - скатывающая сила: р - угол отклонения элемента субстрата

ные силы: центробежная (dF^) и сила реакции динамического на-

dF = dm Ц■

аЛ,

(1)

где Г - центробежная сила, Н;

т - масса, кг; со — угловая скорость, с"1; /--текущий радиус, м.

где FpdH - сила реакции динамического напора, Н; р - плотность, кг/м ;

_ текущий радиус, м; dS - проекция элемента поверхности на плоскость, нормальную к вектору динамического напора, м .

При вертикальном положении оси действие силы тяжести можно считать незначительным для динамики процесса; о силе трения было сказано выше.

Ft.,.=\)f*rWr*dS. (3)

^ о

Особо следует остановиться на силе динамического напора. При стационарном режиме (со = const) сила динамического напора и сила реакции на неё уравновешивают друг друга. Это значит, что в некоторой контактной области субстрат будет подвергаться уплотнению, а последующие слои, в связи со значительным содержанием влаги, будут как бы «скользить» в сторону наименьшего давления.

В качестве основного и единственного фактора, влияющего на движение элементарной частицы, принимается центробежная сила, а фактором, затрудняющим передвижение элементарной частицы к стенке корпуса и искривляющим её траекторию, являются сила реакции контактной поверхности ножа на центробежную силу:

dF I = dm-(o2r(<p), (4)

Щ

где dm - масса элементарной частицы субстрата, кг; о> - угловая скорость, с"; (р - угол поворота, рад.

Сила реакции /С,,.™ модулю равна силе нормального давления Л'„.

(компоненту центробежной силы), но противоположна по направлению, то есть R dm-а а ~

=sin/?<a-^L = sin/)=>-^ = sin/?=»e(f_lf =*Asin/?, (5)

dma2r dm-co r or

где au _ ускорение от силы нормального давления, м/с'.

Бесконечно малое перемещение элементарной частицы субстрата описываем известным уравнением

— = ctgp, (6)

rd<p

где dr - элементарное приращение радиуса, м; dtp - элементарное приращение угла поворота, рад.

Данное уравнение содержит три неизвестные величины и поэтому оощего решения не имеет. Однако, задавшись некоторым соотношением между /? и q>, можно получить семейство частных решений, из которых можно выбрать наиболее рациональное.

Итак, пусть р = п<р. тогда

(¡г с!г со%п<р , С I , ; г фЩп<р)

—— = а$п<р=> — =-- ■ 1пгТ = -1п5В1(и(р)Т => - , . (7)

Г"<Р г ьтпр ,0 п л г„ фю(п<р(,)

Так как угол р в конце траектории (возле стенки корпуса) можно считать прямым (что соответствует перпендикулярности вектора скорости и радиуса вращения), то числитель в правой части полученного выражения можно считать равным 1, т. е.

я= , г" . (8)

фт п% - начальный радиус, м; п -

коэффициент кратности,

где Я — радиус ножа, м; гп -(п=1,5;2; 3; 4).

Необходимости в длинном ряде значений п и, особенно, в больших п(п> 4), нет: чем больше п, тем меньше <р и меньше рабочая площадь ножа.

Для построения линии передней кромки рабочего органа (подвижного ножа) необходимо пользоваться следующей формулой

г= , Г° фтп<р, (9)

п<р0

где <р - угол поворота, град.; <р0 - начальный угол режущей кромки, град.; п — коэффициент кратности.

В процессе отжима подвижные ножи испытывают при перемещении сопротивление рабочей среды (субстрата). Для преодоления этого сопротивления необходимо затрачивать некоторую энергию и потреблять соответствующую мощность (рис. 4, 5).

А-А

повернуто

Рисунок 4-Копределению /пощади Рисунок 5 ~Положение подвижного ножа

рабочей грани подвижного ножа: в процессе отжима:

■5" - полная площадь сектора: - нормальная площадка;

- эффективная (полезная) площадь 5, - эффективная (полезная) площадь

нижней грани подвижного ножа; нижней грани ножа, а -угол атаки но-

Л5 — площадь криволинейной фигуры ,У1у

жа, --динамический напор

Потребная мощность для совершения полезной работы одного подвижного ножа приобретает общий вид

/=1

(10)

где - полезная мощность, Вт; P¡ - мощность на элементарном участке, Вт;

и - скорость движения элементарной частицы в поле сил сопротивления, м/с; р - максимальная плотность субстрата, кг/м .

В любой произвольной точке нижней грани подвижного ножа вектора скорости и силы коллинеарны и направлены по касательной к траектории движения.

Мощность, потребная на совершение полезной работы, выражается равенством

Р,=Р„-Р„ 01)

где Р„ - полная мощность, потребная для совершения работы гранью с поверхностью 5, Вт; Рк - мощность, потребная для совершения работы частью грани с поверхностью Д5, Вт.

Определение полной мощности сводится к определению двойного интеграла

£

, 1 г^ы^е^.] (12)

0го 2 2

На основании вышеприведённых преобразований полезная мощность определяется следующим выражением

р =рсог{<*тр (к{К)Ь--——-—---4<ра), (13)

40 г0 2<ри

Для расчета производительности ножевого пресса, считаем, что отноше-

- ЛИ»/

— будет представлять собой относительную потерю влаги, которая

И'ию

будет зависеть от ряда параметров, главным образом, от давления, загрузочной массы, физико-механических свойств субстрата и др.

Переходя к дифференциальной форме, можно составить следующее уравнение

-№п) .... £- = С,/(р,т)А, (14)

где IV - текущая влажность, %; 1У0 - начальная влажность, %; т - текущая масса субстрата , кг; т0 - начальная масса субстрата, кг; р - давление, создаваемое динамическим напором, Па; С/ - поправочно-переводной коэффициент, учитывающий физико-механические свойства субстрата, геометрию действующих сил и ряд других особенностей процесса.

Для решения уравнения (14) следует упростить правую часть до получения интеграла. После математических преобразований и упрощений получим

\п — = -кр„т0и21 (15)

где к - поправочный коэффициент (см. формулу 22) м с/кг2; / -текущее время, с; р0 - начальная плотность субстрата, кг/м3; кр0т0и2 - квазиконстанта.

Потенцирование формулы (15) даёт

1 2 и/ -крптпи I -кр^т^и Г

— = е 0 0 оГР = И'е 0 0 (16)

и; О

где ь» - скорость движения элементарной частицы, м/с.

Поправочный коэффициент к не поддаётся аналитическому вычислению и определяется эмпирическим путём.

Выражение (16) позволяет определить производительность Q, если известны все величины, входящие в формулу (16), где Ш=Шк (конечная влажность), I = и (время окончания процесса), то

2

тА ~ - тл"'| ) тп тп -крптпи I,

<2= 0 —= + 0 0 *).(17)

Для большего удобства при пользовании формулой (17) правую часть можно заменить приближённым, но более простым выражением, для чего экспоненту следует представить первыми двумя членами степенного ряда, тогда

тп ,

О = -^-(1-кКр0т0и21к), (18)

где - время окончания процесса, с.

Результаты расчетов по формуле (18) показывают, что в диапазоне «п» от 500 до 1000 мин"1 часовая производительность ножевого пресса изменяется от 320 до 340 кг/ч.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа и методика экспериментальных исследований ножевого пресса. Программа экспериментальных исследований ножевого пресса включала: изучение физико-механических свойств исходного сырья, проведение лабораторных исследований влияния конструктивных параметров ножевого пресса на конечную влажность сырья, производительность ножевого пресса, энергоёмкость процесса дегидратации, проведение лабораторных исследований для определения влияния режимных параметров ножевого пресса на энергоёмкость процесса дегидратации и мощность на привод подвижных ножей, проведение исследований в производственных условиях разрабатываемого ножевого пресса.

Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с требованиями ОСТ 70.32.2-83. «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Программа и методы испытаний» и СТО АИСТ 19.2-2008 «Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей».

Рисунок 6 - Ножевой пресс: 1 - корпус; 2 - приёмный бункер; 3 - трубопроводы отвода жидкой фракции; 4 - электродвигатель; 5 - станина; 6 - выгрузной лоток

Экспериментальные исследования ножевого пресса проводились на отходах рыбного производства входящих в состав комбикорма (рис. 6).

Основным оценочным показателем (критерием оптимизации) являлась влажность конечного продукт Также были исследованы зависимсхпи производительности ножевого пресса и энергоемкости процесса дегидратации рыбных отходов or конструктивных и режимных параметров ножевого пресса

Производительность ножевого пресса определяли взвешиванием отобранных проб на электронных весах и замером времени с помощью секундомера, потребляемую мощность измеряли преобразователем частотным ESQ1000. При проведении лабораторных исследований использовали следующие приборы и оборудование: штангенциркуль ШЦ-И (0..160) (точность измерений 0,1 мм ГОСТ 166-89), рулетка Энкор 5м (точность измерений 1,0 мм рулетки ГОСТ 7502-98), транспортир (точность измерений ±1,0 °), секундомер (точность измерений +1,0 с ГОСТ 5072-79В), преобразователь частотный ESQ 1000 (точность измерений ±1,0 мин"1, ±1 %), весы лабораторные ВК-1500 (точность измерений 500±0,02 г ГОСТ 24104-2001), весы электронные M-ER 323-30,5 (точность измерений 30+0,1 кг ГОСТ 29329), сушильный шкаф ШС-0,25-60 (точность измерений + 5 °С ).

Был выбран центральный некомпозиционный план второго порядка Бокса- Бенкина. Обработка полученных результатов выполнялась с использованием программ Microsoft Office Excel 2007, Statistica 6.0.437.0, Mathcad 15.

В четвертом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» получены экспериментальные зависимости влажности готового продукта, производительности ножевого пресса, энергоемкости процесса дегидратации от конструктивных и режимных параметров ножевого пресса.

Выявлена зависимость влажности готового продукта (W), производительности ножевого пресса (Q) и энергоемкости процесса дегидратации рыбных отходов (£) от частоты вращения ротора с подвижными ножами (п), угла атаки подвижных ножей (а) и угла установки горловины загрузочного бункера относительно выгрузного окна (у ). Адекватность полученных моделей процесса проверяли по F - критерию Фишера. Значимость коэффициентов уравнении проверялось по коэффициенту корреляции R'.

По полученным уравнениям регрессии (19), (20) и (21) были построены поверхности отклика, характеризующие графические зависимости влажности готового продукта(И'9, производительности ножевого пресса (О) и энергоемкости процесса дегидратации (Е) от конструктивных и режимных параметров (рис. 7, 8 и 9):

И7 = 740,470-0,7352л-П,314а-!,659/ + 0,00019я2 + 0,098а2 +

+ 0,0012/ + 0,0064нс + 0,00084«/ + 0,013а/- 0,0000 14ла/,

Q = 112,43 + 0,1179и + 0,0568а + 0,3955/ + 0,00012л 2 +0,00004а2 -0ДЮ204/2 -- 0.001 Ina - 0,0048л/- 0.0031а/+ 0,00004иа/,

Е = 40,666 - 0,034л + 1,463а + 0,000067/ + 0,000027л2 + 0,014а" + + 0.00028/2 - 0,0022«а -0,00013л/ - 0.0056а/+ 0.000007«а/.

(20) (21)

Рисунок 7 — Влажность готового продукта в зависимости от частоты вращения ножей л (1000, 750 и 500 мин'1) и угла атаки ножей а (10. 20 и 30 град.) при трёх фиксированных значениях угла рабочего сектора относительно выгрузного окна у (360, 270 и 180 град.)

Рисунок 8 — Производительность ножевого пресса в зависимости от частоты вращения ножей л (1000, 750 и 500 мин')

и угла атаки ножей а (10, 20 и 30 град.)при трёх фиксированных значениях угла рабочего сектора относительно выгрузного окна у (360, 270 и 180 град.)

Рисунок 9 — Энергоёмкость Е (Вт ч/кг) процесса в зависимости от частоты вращения ножей л (1000, 750 и 500 мин'1) и угла атаки ножей а (10, 20 и 30 град.) при трёх фиксированных значениях угла рабочего сектора относительно выгрузного окна у (360, 270 и 180 град.): 1 -у = 180град.: 2 -у = 270 град.;

3 - у = ЗбОград.

Анализ графических зависимостей (рис. 7, 8 и 9) показывает, что достижение требуемой влажности продукта в 25..30 % возможно при установке угла у в пределах всего диапазона его варьирования, при этом угол атаки ножей а

также можно варьировать во всём диапазоне принимаемых им значений, но при значении угла у = 180° минимальное значение угла а должно быть не ниже 18 , так как при меньшем значении будет недостаточное воздействие на материал и влажность.

Также необходимо отметить, что при возрастании угла у снижается значение минимально необходимой для качественного протекания процесса частоты вращения ротора с 940 до 560 мин"'. Данная зависимость обусловлена тем, что при возрастании угла установки загрузочной горловины относительно выгрузного окна у время нахождения материала в камере установки увеличивается и для достижения требуемой влажности необходимо меньшее число воздействий рабочих органов, т.е. меньшее значение оборотов ножей.

На основе данных теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований были построены графические зависимости производительности ножевого пресса от конструктивных и режимных параметров для всех используемых в экспериментах рыбных отходов. Графические зависимости теоретической и экспериментальной производительности при оптимальном угле атаки ножа и угле установки загрузочной горловины относительно выгрузного окна показаны на рис. 10.

Из анализа рис. 10 следует, что экспериментальные данные не полностью согласуются с теоретическими, а имеющиеся отклонения объясняются влиянием неучтенных факторов. В связи с этим в формулу производительности был введен поправочный коэффициент к = -2 • 10~9и2 +

(22)

+ 3 • 10 /? — 0.0008. где п- частота вращения ножа, мин'1.

70О ЙПО

Частота иратсния ножей, н

Рисунок 10 - Графики производительности ножевого пресса в зависимости от частоты вращения ножей, построенные по расчётным и экспериментапьным значениям

Корреляция между полученными экспериментальными и расчётными значениями составляет Л2 = 0,991, что свидетельствует о достаточной достоверности аналитических зависимостей и применимости их в расчётах.

Таким образом, проведенные исследования позволили определить оптимальные значения конструктивных и режимных параметров ножевого пресса (угол рабочего сектора относительно выгрузного окна у = 180°, угол атаки ножей а = 18...20,9°, частота вращения ножей п = 1000 мин"'), при этом энергоёмкость Е = 14,92... 14,98 Вт ч/кг. что на 0,4 % выше минимального значения и производительность {? = 325...327 кг/ч, что ниже на 8,75...9,06 % в сравнении с максимальным значением.

В пятом разделе «Исследования устройства в производственных условиях. Экономическая оценка результатов исследований» приведены результаты исследований ножевого пресса в производственных условиях. При исследовании ножевого пресса в производственных условиях ООО «СамараЮгКорма» контролировались показатели: производительность ножевого пресса и энергоёмкость процесса дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов.

Исследования показали, что применение разработанного ножевого пресса в технологической линии производства экструдированного корма позволяет производить корма высокого качества, соответствующие зоотехническим требованиям, с низкими энергетическими затратами (энергоемкость процесса дегидратации рыбных отходов составляет 14,92... 14,98 Вт ч/кг) и производительностью ножевого пресса-320...340 кг/ч при влажности 25...30 %.

Расчет показателей экономической эффективности предлагаемого ножевого пресса показал экономическую целесообразность его применения в условиях сельскохозяйственного предприятия. При использовании ножевого пресса годовой экономический эффект составляет 9477 руб. на 1 тонну готового продукта, годовая экономия затрат труда достигает 6,1 чел.-ч/т, а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений равен 3 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана перспективная схема и конструкция ножевого пресса, новизна которой подтверждена патентом РФ на полезную модель № 139850, отличительной особенностью которой является то, что внутри корпуса установлены под углом к горизонту подвижные ножи, передняя режущая кромка которых выполнена по астроидной кривой, вогнутой по ходу движения с аэродинамическим профилем в окружном сечении; неподвижные ножи имеют аналогичную форму с передней кромкой подвижных ножей, обращенной выпуклостью навстречу подвижным ножам, образуя пространство в плоскости между подвижным ножом и неподвижным ножом.

2. Теоретические исследования предложенного ножевого пресса позволили выявить функциональные зависимости производительности, влажности готового продукта и потребляемой мощности от конструктивных и режимных параметров рабочего органа.

3. Проведённые экспериментальные исследования опытного образца ножевого пресса с обоснованными конструктивными и режимными параметрами позволили получить необходимое количество исходных данных для анализа и подтвердили достоверность (коэффициент корреляции Я2 = 0,991) теоретических положений.

Совокупный анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить оптимальные значения конструктивных и режимных параметров ножевого пресса, при которых влажность остаётся в заданных технологических

рамках (25...30 %): угол рабочего сектора относительно выгрузного окна у = 180°, угол атаки ножей а= 18...20,9°, частота вращения ножей п = 1000 мин ; при этом энергоёмкость процесса дегидратации рыбных отходов составляет Е= 14,92... 14,98Вт ч/кг, а производительность ножевого пресса <9=325...327иУч.

4. Исследования ножевого пресса с оптимальными конструктивными и режимными параметрами в производственных условиях подтвердили целесообразность его применения в технологических линиях при производстве комбикормов. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого ножевого пресса составляет 9477 руб. при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений 3 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях

1. Влияние геометрических и динамических факторов на процесс дегидратации протеиносодержащих субстратов / А. С. Грецов, А. Л. Мишанин, Е. В. Янзина, А. А. Курочкин // Известия Самарской ГСХА. - №3. - 2013. - С.68-71.

2. Грецов, А. С. Перспективные технологии переработки рыбных отходов / А. С. Грецов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс»: Периодическое научное издание. - №06(22). - 2014. - С. 79 - 82.

3. Определение мощности, потребляемой установкой для отжима влаги из мясорыбных отходов / В. В. Новиков, А. С. Грецов, Е. В. Янзина // Вестник Ульяновской ГСХА. - №2(26). - 2014. - С. 145 - 149.

4. Новиков, В. В. Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных режимов работы устройства для измельчения и отжима влаги / В. В. Новиков, А. С. Грецов // Вестник Ульяновской ГСХА. - №3(27). -2014.-С. 133 - 137.

5. Грецов, А. С. Устройство для измельчения и отжима влаги из мясорыбных отходов / А. С. Грецов, И. В. Успенская // Сельский механизатор. - 2015. -№ 3. - С. 26-27.

Патенты РФ

6. Пат. № 139850 Российская Федерация, МПК7 А23К1/00, В02С13/00. Устройство для измельчения и отжима влаги / В. В. Новиков, И. J1. Орсик, А. С. Грецов, А. Л. Мишанин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА. -№ 2013152052/13 ; заявл. 21.11.13 ; опубл. 27.04.14, Бюл. №12.

7. Пат. № 2490928 Российская Федерация, МПК7 А23К1/00. Устройство для измельчения и отжима влаги / В. В. Новиков, Я. М. Бекетов, А. Л. Мишанин, И. В. Успенская, А. С. Грецов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА. - № 20122102423/13; заявл. 24.01.12 ; опубл. 27.08.13, Бюл. №24.

Публикации в других изданиях

8. Грецов, А. С. Способ извлечения влаги из отходов животного происхождения и устройство для его осуществления / А. С. Грецов, В. В. Новиков // Вклад молодых учёных в аграрную науку Самарской области : сборник научных трудов. - Самара : РИЦ СГСХА, 2012. - С. 185 - 189.

9. Грецов А. С. Устройство для измельчения и отжима влаги/ А. С. Грецов, В. В. Новиков // Достижение науки агропромышленному комплексу : сборник научных трудов. - Самара: РИЦ СГСХА, 2013. - С. 83 - 84.

10. Грецов, А. С. К вопросу отыскания рациональных форм взаимодействующих поверхностей с целью повышения влагоотделение из протеинового субстрата / А. С. Грецов // Наука центральной России. - №2(8). - Липецк : ООО Максимал информационные технологии, 2014. - С. 53-57.

11. Грецов, А. С. Методологические основы и обоснование структурно-функциональной и конструктивно-технологической схемы отжима влаги из рыбных отходов / А. С. Грецов, В. В. Новиков // Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: Материалы Международной научно-практической конференции молодых учёных, посвящённой 80-летию образования ИрГСХА. -Иркутск : Издательство ИрГСХА, 2014. - С. 129 - 132.

12. Грецов, А. С. Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства для измельчения и отжима влаги из мясорыбных отходов / А. С. Грецов // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Том 2. - Пенза : РИО ПГСХА, 2014. - С. 154- 156.

13. Грецов, А. С. Результаты исследования переработки рыбных отходов в производственных условиях / А. С. Грецов, И. Л. Орсик // Наука и молодёжь: новые решения. Материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых исследователей, посвящённой 70-лешю Волгоградского ГАУ. -Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2014. - С. 86 - 90.

14. Грецов, А. С. Эффективность использования отходов рыбоперерабатывающих предприятий в кормлении цыплят-бройлеров / А. С. Грецов, И. Л. Орсик // Вклад молодых учёных в аграрную науку: сборник трудов. - Кинель: РИЦ СГСХА, 2014.-С. 109-111.

15. Орсик, И. Л. Результаты экспериментальных исследований экструди-рования смеси рыбных отходов и отрубей / И. Л. Орсик, А. С. Грецов // Перспективы инновационного развития АПК: материалы международной научно-практической конференции в рамках XXIV Международной специализированной выставки АгроКомплекс-2014. Часть II. - Уфа : Башкирский ГАУ, 2014. -С. 109-114.

Подписано в печать 02.09.2015 г. Формат 60x84/16 Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 539 Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74