автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка установки для уплотнения навоза и исследование ее рабочего процесса

На правах рукописи

РГБ ОД

МУРЗАГАЛИЕВ АБАЙ КАДЫРШЕЕВИЧ •

1 5 2801

РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ НАВОЗА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 2000

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Механизации животноводства» Оренбургского ордена Трудового Красного Знамен» государственного аграрного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Карташов Л.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Полищук В.Ю.

- кандидат технических наук, доцет Башков А.Ф.

Ведущее предприятие - Департамент управления сельсксгс

хозяйства Оренбургской област и

Защита диссертации состоится «М* июня 2000 года в 10°° часов н; заседании специализированного Совета Д120.95.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Оренбургскоу государственном аграрном университете по адресу: 4(50795 г.Оренбург ул. Челюскинцев, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан <22» мая 2000 г.

Ученый секретарь, доктор технических наук, профессор

Г/С г/

II.И. Огородников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.В настоящее время в связи с кризисными лениями в сельскохозяйственном производстве, дефицитом ергоносителей для отопления производственных и жилых помещений., стоянным ростом цен на энергоисточники остро стоит вопрос с: пливными ресурсами.

Высокая стоимость каменного угля и транспортных расходов не зволяет обеспечить сельскую глубинку необходимым количеством! плива. Проведенные исследования показали, что решить данную юблему можно за счет местных ресурсов, используя, в качестве: адиционного, в недалеком прошлом источника тепла, обычный кизяк., готавливаемый из чистого навоза или помета влажностью 30-40% ,, торые после подсыхания на воздухе выдерживают давление 3-5 кг/см2.

Испытания данного вида топлива на теплоту сгорания показали, что калорийность составляет, в зависимости от влажности используемого воза, от 2500 ккал/кг до 2750 ккал/кг. Каменный уголь имеет лорийность 5000 - 7000 ккал/кг. Среднее коллективное хозяйство требляет в год 2000 т. каменного угля, который можно заменить 4 тыс.. ннами топлива из навоза. Поэтому .производство топливных брикетов из воза сельскохозяйственных животных позволит частично решить облему обеспечения сельского населения дешевым топливом, кроме того , шение этого вопроса в какой-то мере способствует улучшению ологической обстановки, т. к. в связи с организацией фермерских: зяйств в зонах, занимающихся исконным животноводством, в частном кторе, где поголовье животных в последние годы имеет тенденцию роста, ходы в виде навоза зачастую остаются невостребованными, загрязняя ружающую среду.

За последние годы определилась тенденция к широкому именению новых технологических приемов - прессованию и икетированию для обработки средств вторичного использования, в стности жмыха, навоза и др. Важность развития этих технологических иемов обуславливается еще и тем, что приготовление определенных видов одукции с помощью прессования и брикетирования позволяет обеспечить обходимые физико-механические свойства получаемых брикетов, а также: очностные качества, соответствующие ГОСТу, наиболее просто решить облемы комплексной механизации различных технологических: оцессов, связанных с переработкой и транспортировкой продуктов эричного использования.

Однако анализ технологических приемов переработки продуктов эричного использования и технических решений, обеспечивающих эти оцессы, показывает, что здесь имеются определенные трудности из-за ;утствия высокопроизводительных и малоэнергоемких прессов,.

исключающих использование ручного труда в технологическом процес прессования.

В сложившихся условиях целью настоящей работы являет исследование и разработка установки, обладающей достаточно высок производительностью и малой энергоемкостью, которая могла ( брикетировать навоз любого вида и состояния с целью его дальнейше использования в качестве топлива, при полном исключении технологического процеса приготовления брикетов ручного труда.

В качестве объекта исследования была использована установка д брикетирования навоза, разработанная специально для этой цели, рабоч органы для подачи прессуемого материала, технические решения устройства для определения параметров рабочего процесса предлагаем установки.

Методика исследования. Теоретические исследования с цел] определения влияния зависимости различных кинематичесю динамических и режимных параметров установки на рабочий проц< уплотнения, где в качестве теоретической основы при математическ описании принято уравнение Лагранжа второго рода.

Экспериментальные исследования с использованием к классических, так и математических методов планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования некоторых параметров физш механических свойств уплотняемого материала проводили с помощ различных приборов, разработанных нами.

Результаты исследований обрабатывались методами математическ статистики с применением компьютерных программ и получеш уравнений регрессий, адекватно описывающих исследуемые процессы.

Научную новизну работы составляют: классификация прессов, применяемых при уплотнении всевозможн материалов и анализ исследований, посвященных влиянию различи факторов на процесс прессования;

теоретические исследования рабочего процесса, протекающего уплотняющей камере установки, при определении влияния различи факторов на усилие прессования и расход мощности, где в в! теоретической основы при математическом описании проце уплотнения принято уравнение Лагранжа второго рода; аналитические выражения по определению производительно брикетного пресса, показывающие влияние конструктивных режимных параметров установки;

методики планирования экстремального эксперимента и использова! компьютерной функции-макрос «Сольвер» для определе] оптимальных конструктивно-режимных параметров установки I уплотнении навоза определенной влажности;

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Проведенные исследования позволили обосновать и реализовать ннческие средства, позволяющие прессовать навоз любой влажности,, а и состояния.

Имеющиеся в диссертации научные положения и рекомендации воляют на стадии проектирования и конструирования определит!, иональную конструктивно-технологическую схему, которая может жить базой для создания новых и совершенствования существующих: исетных прессов, а также проследить основные тенденции в развитии [структивных решений рабочих органов и режимных параметров прессов,, 1вить их перспективное направление и поставить задачу исследования [более рациональной (с точки зрения производительности и ргоемкости установки) схемы с учетом конструктивных и режимных: Ценностей брикетных прессов.

Результаты исследований и разработанная программа на базе нкции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98) могут быть использование :циалистами хозяйств при настройке брикетных прессов на оптимальный ким работы.

Работы по внедрению брикетных прессов проводились и ружестве с заводом Костанайагрореммащ и другими научными it эизводственными организациями.

В течении 1995 - 1996 гг. заводом Костанайагрореммаш были готовлены 5 комплектов экспериментальной установки (патент РК № 33), которые были затем реализованы в хозяйствах области.

В акционерном коллективном хозяйстве (АКХ) «Енбек»-здоровского района Костанайской области были проведеньи оизводственные испытания установки с ее дальнейшим внедрением н зяйстве

Три экспериментальные установки внедрены в ТОО «Тап-М»-ютанайского района.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на :егодных научных конференциях профессорско-преподавательского става Костанайского СХИ (1996 - 1999 гг.), Казахского государственного рарного унивесигета (1996 - 1998 гг), Костанайского научно-следовательского института ЦелинНИИМЭСХ (1996 - 1998 гг)„ эенбургского государственного аграрного университета (1999 - 2000 гг).

Дважды по материалам диссертации были получены дипломы РК„ к за лучшие научные студенческие работы по специальности Механизация, электрификация и автоматизация с.х. производства»' риказ Министерства образования, культуры и здравоохранения РК N9 241995 г. и № 3-2 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных:

i6ot.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введет пяти глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составлю 186 страниц и включает 46 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 1 наименований, из которых 34 на иностранных языках и на 46 страниц приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ. Обоснована актуальность темы проводим! исследований и изложены основные научные положения, котор] выносятся на защиту.

I.ОБОСНОВАНИЕ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В этой главе проведены обзор существующих исследований изучению рабочих процессов установок при уплотнении материалов факторов, влияющих на их основные показатели.

Исследованиями уплотнения занимались такие видные ученые, к Особов В. И. , Некрашевич В. Ф. , Горячкин В. П. , Вольф И. И. Чапкевич А. А. , Гутьяр Е. М. , Храпач Е. И. , Карташов Л. П. , Полищ; В. Ю. , Скачко Ю. В. , Прохоров А. Н. , Васильев Г. К. , Сизов В. И. Климчук В. М. , Зороховнч В. С., Кукта Г. М. и др.

Предложена классификация прессов и рабочих органов к ни Согласно предложенной классификации, существующее многообраз: машин для уплотнения различных материалов можно классифицировать 1 следующим признакам: по типу привода рабочих органов, по принцш уплотнения материала, по конструкции рабочих органов, по типу камер прессования, но характеру воздействия рабочих органов на уплотняемь материал, по расположению матрицы, по взаиморасположению матрицы роликов.

Представленная классификация дает представление о причини следственной связи достоинств и недостатков, присущих брикетным пресс; и установкам для уплотнения материалов.

Проведенный анализ рабочего процесса прессования позвол! сделать вывод, что в виду простоты конструкции, надежности технологичности в работе, хорошего качества получаемого конечно: продукта, наиболее перспективными являются прессующие механизмы непрерывным циклом рабочего процесса, с прессованием материала открытой камере, где в качестве рабочего органа применяется поршень и; плунжер, приводимый в движение от кривошипно-шатунного механизм (рис. 1.1.)

Рис. 1.1. Конструктивно-технологическая схема установки для уплотнения аавоэа.

Рабочий процесс в предлагаемой установке происходит следующим зазом. Навоз грейферным погрузчиком загружается в загрузочный жер 6 откуда ворошителем 5 подается в пространство между матрицами [ 2. При движении плунжера 7 в направлении матрицы 1 брикетируемая :са, уплотняясь распределяется по фильерам 3, а при дальнейшем 1жении плунжера 7 масса, находящаяся в фильерах 3 еще больше; тотняется за счет сил трения навоза о стенки фильер 3, при обратном: № диска 7 к матрице 2 уплотнение брикетируемой массы идентично {санному.

Однако процесс образования брикетов и достижение ими )бходимой плотности, а следовательно и прочности происходит е> ультате неоднократного возвратно-поступательного движения плунжера I подачи им определенной порции навоза в фильеры 3 матрицы 1 и 2, и I выше частота вращения эксцентрика 8 при постоянной подаче навозной: :сы и больше длина фильер 3, тем больше сила трения между шетируемой массой и стенками каналов, и тем выше плотность и эчность брикетов.

В дальнейшем полученные брикеты, выходя из фильер 3 попадают выгрузной транспортер 15, а затем на наклонный транспортер 16 и в «спортное средство.

Согласно проведенному анализу исследований по изучению рабочего щесса уплотнения .материалов среди ученых до сих пор не существует [ного мнения о влиянии различных физико-механических свойств ютняемого материала (влажность, плотность, гранулометрический! тав) и конструктивно-режимных параметров установок для уплотнения

материалов на рабочий процесс прессования. Мнения зачаст; противоречат друг другу и носят обощенный характер, без уч< конкретных особенностей процесса уплотнения. Нет единого мнения влиянии температуры и влажности исходного материала, а также боковс давления, возникающего в процессе уплотнения, на такие показате процесса прессования, как качество получаемых брикетов (конечг плотность брикетов), величина удельного давления, энергоемкость производительность брикетного пресса.

С учетом сложившихся условий целью настоящей работы являет исследование и разработка установки для уплотнения навоза. Д достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ рабочего процесса установок для уплотнен различных материалов и составить их классификацию, с цел выявления рациональной конструктивно-технологической схе; прессующего механизма.

2. Выполнить теоретические исследования рабочего процесса установю получить зависимости усилия прессования, затрат мощности производительности от конструктивных, режимных и динамическ факторов, влияющих на процесс прессования в уплотняющей камере.

3. Провести предварительные экспериментальные исследования рабоч' процесса прессования с целью определения влияния конструктивы факторов прессующего механизма и физико-механических спой' уплотняемого материала на плотность получаемых монолитов и усп. прессования.

4. Провести экспериментальные исследования, подтверждаюи положения выдвинутые в теоретических исследованиях г определении параметров, характеризующих рабочий процесс устано! при уплотнении навоза.

5. Обосновать основные конструктивно-режимные параметры пресса применением методики планирования эксперимента и компьютер! функции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98).

6. Провести производственные испытания и экономическую оце! предлагаемой экспериментальной установки.

II.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Определение усилия прессования.

В данной главе нами делается попытка определения основи теоретических зависимостей, отражающих взаимосвязь мех конструктивными параметрами установки, усилием прессования перемещением поршня.

Кривошинно-шатунный механизм (KIIIM), лежащий в оси экспериментальной установки для уплотнения навоза, являе механической системой, состоящей из трех основных звеньев и имеющ!

степень свободы. Для нахождения уравнения, описывающего характер *жения данной механической системы в обобщенных координатах, «меняется уравнение Лагранжа второго рода.

(

а

\

дТ

дЯJ)

дт дд}

= QJ

(2.1)

: У = 1 - число степеней свободы; дТ

дч, дТ

частная производная от кинетической энергии Т системы по обобщенной координате

%

частная производная от кинетической энергии Т системы по

Л

г л дГ

обобщенной скорости. Ее также называют обобщенным импульсом.

производная от обобщенного импульса по времени. 0< г обобщенная сила.

/////

Г ////«/

««»// />77777

У м 15

Рис.2.1. Кинематическая схема экспериментального брикетного пресса.

Первым этапом при определении составляющих уравнения (2.1) является определение кинетической энергии звеньев механизма. С учетом особенностей движения каждого звена и учетом конструктивно-режимных параметров установки был выведен ряд формул для определения кинетической Т), Т2, Т3 энергии звеньев N[3, ВА и АО соотвественно (рис.2.1):

I Л

где ini - масса звена NB, кг;

Л' - первая производная от перемещения т. В но времени, м;

.2 .2

т _ т2 •х • cos2 /? т2 •х -cos2/?

12 — -у -) \2 .Л)

2-cos or 24-sin¿(<p + fi)

где т2 - масса звена, кг;

-V - первая нроизнодпая от перемещения т. В но времени, м;

COSР - косинус угла, образованного радиусом перемещения R{ и

звеном ВА. ; COS (р- косинус угла поворота кривошипа;

COS С - косинус угла, образованного приращением центра масс звена

ВА и проекцией этого приращения на звено ВЛ; sin(^> + /?)- синус суммы угла (р поворота кривошипа и угла р ,

у

образованного радиусами перемещения 1 и звеном ВЛ;

6 - sin {(р + (3)

где in, - масса звена АО, кг: /, - длина звена АО, м;

л: - первая производная от перемещения т. В по времени, м;

Общая кинетическая энергия системы равна сумме кинетических зргий звеньев:

г/;г, /и, • соб2 В т-у-со^ю пи -соб2 В л

[— Н---~ +-;---+-Ц-—1

2 2• соб а 24-эт2{р + Р) 6-эт2(<р + /3)

Для решения уравнения Лагранжа необходимо найти частные

оизводные от кинетической энергии Т системы по координате X , по •

арости X и производную от обобщенного импульса по времени.

Частная производная от кинетической энергии Т системы по ординате X равна нулю:

^-=0 (2.6) йх

Частная производная от кинетической энергии Т системы по орости (иначе говоря, обобщенный импульс), после проведения обходимых математических преобразований, будет равна:

й

е —

ш

л

г л йГ

с \ ( ЯГ

+ ] (27) со£а 12-эт\<р+Р) Ъ-ъ\п\(р+Р)

- производная от обобщенного импульса по времени;

Х- вторая производная от перемещения т.В по времени; т1,пг2,т3 - массы звеньев ЫВ, ВА и АО соответственно, кг. а, (3 - углы, являющиеся производными величинами, зависящими от положения кривошипа, иначе говоря от угла поворота (р , град.

(р - угол поворота кривошипа, град

Заключительным этапом вывода уравнения Лагранжа второго ро, является определение обобщенной силы, действующей на нап механическую систему.

Формула для определения обобщенной силы имеет следующий вид:

8Х 8Х

где Р1 - сумма сил действующих на механическую систему,Н;

8Б1 - элементарные перемещения,совершаемые точкам

механической системы,м; С03( 1); ) - косинус угла между векторами направлений действг

сил Р1 и вектором элементарного перемещения; ёХ - приращение координаты X ;

Таким образом,для нахождения обобщенной силы, необходим составить сумму элементарных работ задаваемых сил на возможны элементарных перемещениях.

ЗА = {Рч - • 5Х■ со$180° + Р2 -япа• 8БС +Р3 ■ соБр (2Л

где Р2,Р3, Рд, Р-п> ' силы,действующие на звенья КШМ, Н;

8Х - приращение координаты X , или же, другим

словами,приращение т. В 8БЛ - приращение центра масс звена ВА и т. соответственно.

После подстановки значений членов уравнения и его упрощения, он примет следующий вид:

8А = (Рд - Р„)-8Х +Р2-соб 0-8Х +

(2.1С

соб/У-СОЗ? т5х

2 • (р + ¡5)

После подстановки уравнения (2.10) в формулу (2.8) и упрощения элученного выражения, оно примет окончательный вид:

Q = pq - Fw + Р2 -tga -cos р + Р3 ■-—-r-f——^ (2.11)

COS Р • cos ср 2 • sin( <р + Р)

Таким образом,вычислив значения всех составляющих уравнения агранжа второго рода, оно примет следующий вид:

' г 1Щ • cos2 Р 7Щ • COS2 Ф гщ • COS2 р ,

:-[т, —;—i- +--— +-Ц-—] =

cos2 a 12-sin\<р + р) 3-sin2((р + р)

(2.12)

nr. n COS /? • COS (р

= Pq- Fw + Р2-tga - cos p + P3--z-

2 • sin( (p + P)

le X - вторая производная от перемещения т.В по времени; тх,т2,1Пъ - массы звеньев NB,BA,AO соответственно,кг; Pq - сила давления поршня на уплотняемую массу,Н;

Fjp - сила трения, возникающая в процессе брикетирования в

рабочей камере,Н; Р2, /З3 - силы тяжести, действующие на звенья ВА и АО

соответственно, Н; а, Р - углы, являющиеся производными от угла поворота звена АО

КШМ.град. (р - угол поворота кривошипа,град.

Выразив из уравнения (2.12) вторую производную от перемещения В и проинтегрировав ее по переменной по времени, она будет иметь юдугащип вид:

, р Fw+P2.tga.c0sp + P3.^^ML х=\{ 4 _ 2-sin(g +/?) (213)

{1Щ -cos2Р m?-cos2<p ип-> • cos2Р

0 тх + —2—^— - + ———!—гг +

cos a 12-sin (ср + Р) 3-sin($о + Р)

Проведя ряд математических преобразований уравнение Лагранж примет следующий вид:

Р„ =

2-х

7Щ +

т2-соъ2 ¡5 т2-соч2ф т3- соэ Р со ъ2а 12-ьш2{<р + р) Ъ-ъ\п2(ф + р)

+

(2.14

+ ^ - Р2 • tg а • С05 Р - Р3

соб Р • соб ф

2 • Бт( <р + Р)

где Рч - сила давления поршня на уплотняемую массу, Н;

X - координата перемещения т.В, м; / - время,за которое происходит перемещение т.В, с;

С учетом физико-механических свойств уплотняемого материал уравнение (2.14) примет следующий вид:

Ч ,2

тх +

т2 • соб р т2- соб2 ф т3 • соб Р

со в а 12-эт (ф + р) Ъ-ът (ф + Р)

+

г л.« гГ4.и ~ 1 ^ , о-з-^-ехр^,-^/^]

Ц

- (2.15

- Р2-Ща ■ ыч, Р - Р3

соб Р •соб ф

2 • ф + Р)

2. Определение производительности экспериментального брикетного пресса.

Согласно нашим предположениям производительность установи можно определить как равенство двух составляющих: пропускпо способности горловины ¡2 г и производительности брикетного пресса ()) (рис.1.1):

0Г<0К (2.16

На пропускную спосбность горловины влияют конструктивные и ¡ежимные параметры установки:

дг ■Ь1 ■1гп1 -угу/ (2.17)

де ах, Ьу - длина и ширина основания бункера соответственно, м; 1Х - длина ворошителя, м;

Щ - частота оборотов, совершаемых ворошителем, рад/с;

- число пальцев, расположенных на ворошителе; У\ - объемная масса материала, кг/м3.;

у/ - коэффициент, учитывающий степень заполнения бункера уплотняемым материалом;

На производительность КШМ оказывают влияние также инструктивные и режимные параметры установки, включая ашематические и динамические показатели процесса брикетирования:

<эк=—-——--L (2.18)

^ТР

де П2 - частота оборотов кривошипа, рад/с; \>в - скорость поршня, м/с;

/2 " объемная масса навоза в рабочей камере, кг/м3; 50 - площадь поперечного сечения канала, м2;

- скорость продвижения монолита в канале рабочей камеры, м/с;

1П - масса уплотняемого материала, кг;

ГТГ - сила трения, возникающая в процессе уплотнения между стенками канала и уплотняемым материалом, Н.

С учетом приведенных аналитических выражений [роизводительность брикетного пресса будет выглядеть следующим |бразом:

, и? 'V» -sn -vrp -m - 2, ax-bx-\x-nx-zx-yx-y <-1—S-Ll—2——-— (2.19)

FTP

3. Определение мощности, затрачиваемой на брикетирование

навоза.

Величину, характеризующую быстроту приращения работы силы и выражающуюся отношением элементарной работы 8А к дифференциалу времени dt , называют мощностью силы N :

N-Ы (2.20)

dt

Величина элементарной работы SA нам известна из пункта 2.1: SA = (Рд - FTP)-8X + Р2-tga -cos р • 5Х +

(2.21)

cos /3

+ Ръ • COS (р

2 • sin( (р + ft)

где Рц - усилие прессования, оказываемое поршнем на брикетируемую массу, Н;

1<гр - сила трения, возникающая в процессе уплотнения навоза 1 рабочей камере, Н;

Р2, Ръ - силы тяжести звеньев В А и АО соответственно, Н;

8Х - приращение точки В, или же, элементарное перемещение т.Е за бесконечно малый промежуток времени с!1.

СС, Р - углы,являющиеся производными от угла поворота кривошипа град.

(р - угол поворота кривошипа, град.

Подставив уравнение (2.21) в аналитическое выражение (2.20) 1 совершив ряд необходимых математических преобразований получю окончательное уравнение затрат мощности на процесс уплотнения, которо; будет выглядеть следующим образом:

N=VB

2-х

7Щ • cos2 ß щ- cos2 <p щ • cos2 ß l1%i cos2« 12-sin2(49+/?) 3-sin2(^+/3)

(2.22)

где x - элементарное перемещения т.В за промежуток времени dt , м;

t - время,за которое происходит перемещение т.В, с;

?nl>m2,m3 - массы звеньев NB,BA,AO соответственно, кг;

СС, ß - углы, являющиеся производными от угла поворота кривошипа, град.

(р - угол поворота кривошипа, град

Таким образом, после получения вышеприведенных формул, можно шределить характер зависимости таких показателей процесса прессования, сак удельное давление, производительность и затраты мощности брикетного ipecca от конструктивных, технологических, кинематических и цшамических факторов, а также от физико-механических свойств шлотняемого материала.

III. ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В соответствии с поставленными задачами экспериментальная часть >аботы состояла в определении влияния количества подаваемой массы гавоза, его влажности, диаметра трубок, длины перемещения поршня на глотность получаемых брикетов, удельное и боковое давления, а также в »пределении зависимости усилия прессования, мощности необходимой на фоцесс уплотнения от угла поворота (р кривошипа.

С целью проведения экспериментальных исследований были [спользованы: комплект оборудования для определения влажности, пресс 1-50, лабораторные установки для брикетирования навоза, установки для |пределения параметров, характеризующих процесс уплотнения, датчики и ензометрическая аппаратура, в качестве материала был использован навоз 1азной влажности.

Брикеты, получаемые в процессе брикетирования материала, спользовались для определения таких параметров, как плотность, рочность и других показателей, характеризующих физико-механические войства получаемого продукта.

Данные, полученные при проведении экспериментальных сследований, проходили обработку на ЭВМ.

В качестве исходного материала был использован навоз KP С вухгодичной выдержки влажностью 25. . .75 %.

1 п

Обобщенным критерием оптимизации при обосновании конструктивно-режимных параметров брикетного пресса была принята энергоемкость Э процесса уплотнения с учетом качества полученных брикетов и степени уплотнения:

_ ТУ • Пн

Э-~оТ (3.1)

где Ы- мощность, необходимая на привод брикетного пресса, кВт; - производительность брикетного пресса, т/ч; Пи - коэффициент качества; Л - степень уплотнения;

Оценку качества уплотненных брикетов проводили на основании аналитического выражения, учитывающего степень крошения и истирания брикетов под воздействием механических нагрузок:

_М1-100 (3.2)

М

где М~ масса пробы, загруженной в барабан, кг; М) - масса кусков размером более 25 мм, кг;

Для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров брикетного пресса был использован метод планирования

многофакторного эксперимента. Были выбраны 4 фактора, оказывающих

у

влияние на рабочий процесс экспериментальной установки: п

н0 , в0

количество пальцев на ворошителе, 0 - число оборотов ворошителя, ° -

величина открытия заслонки, ^п - длина пальцев на плунжере.

На следующем этапе были проведены экспериментальные исследования с целью получения линейной математической модели исследуемого процесса, т.к. результаты линейного планирования показали, что область исследуемых значений факторов не описывается полиномом первой степени, то для получения адекватной математической модели I полного исследования области оптимума перешли к планированию второгс порядка.

В качестве плана эксперимента был использован симметричны! композиционный план второго порядка типа В4.

1Я

Порядок проведения опытов определялся но таблице случайных: :ел, обеспечивающий полную рандомизацию.

Расчеты по получению математической модели энергоемкости эцесса уплотнения и решение данной математической модели с целью эеделения оптимальных значений факторов проводились на ЭВМ.

Для более точного определения оптимальных значений выбранных: кторов была использована компьютерная функция-макрос Сольвер [icrosoft Excel, Windows 98), основанная на методе использования шнеарного кода оптимировання GRG2 (Geralized Reduced Gradient)., данного Леоном Ласдоном, University of Texas in Austin, и Алланом реном, Cleveland State University, структурная схема которой )бражена на рис.3.1.

3.1. Структурная схема построения модели оптимизации процесса брикетирования на основании уравнения регрессии с помощью компьютерной функции-макрос Solver, Microsoft Excel-98.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Результаты экспериментальных исследований, характеризующие: [енение таких параметров как удельное давление и плотность, учаемых брикетов от количества брикетируемой массы, от влажности

35 30 25 20 15

г Г" i __ —С 1 ~~ >...................

.L-Л г ~~ »■1W« 1 - »-«»

Г ■

в -—

__. -f —1 "1 '---»■ К1»

1,5 2 2.5

Рис. 4.1.а: Зависимость удельного давления (Рго) от количества брикетируемого навоза ( т ) при различной влажности ( /? ).

Рис. 4.1.6: Зависимость плотности брикетов ( р ) от влажности навоза iß) при различном количестве брикетируемой массы (т ).

Р,

, j

El Ч

1300 1200 1100

L.

25

30

35

Рис 4.1.в: Зависимость нлотности брикетов (р) от их диаметра (*/) при различной влажности навоза ( ).

навоза, от их диаметра, а также зависимость удельного давления от угла поворота кривошипа, представлены в виде графиков на рис. 4.1.

Анализ графика, представленного на рис. 4.1.а, показывает, что с увеличением количества и снижением влажности брикетируемой массы происходит увеличение удельного давления. Причины такой зависимости состоят в том, что с увеличением количества брикетируемой массы и с уменьшением влажности увеличивается сила трения навоза о боковые стенки трубок и, следовательно, увеличивается сила бокового давления навоза о стенки, в результате чего наблюдается рост удельного давления

При анализе графика 4.1.6. становится очевидным, что при

увеличении влажности навоза для всех значений количества брикетируемой

р

массы, наблюдается уменьшение удельного давления ( ).

Подобное явление вызвано тем, что влага, имеющаяся в навозе, играет роль смазки между брикетируемым материалом и стенками трубок в процессе ее движения и уплотнения в трубках. Причем чем больше количество влаги, тем выше эффект "смазки", т. е. при увеличении влажности навоза уменьшается сила трения, а, следовательно, меньше величина удельного давления.

Из графика зависимости, приведенном на рис. 4.1.в, видно, что с увеличением диаметра брикетов происходит уменьшение их плотности. Причиной подобного явления является снижение коэффициента трения между боковыми стенками трубок и брикетируемого навоза, в результате чего уменьшается сила бокового давления навоза о стенки и, следовательно, уменьшается плотность брикетов.

Экспериментальный и теоретический графики зависимости удельного давления от угла поворота кривошипа представлены на рис 4.2.

уУЛл 1,5

Рис. 4.2. График теоретической и экспериментальной зависимости

р

удельного давления ( т ) и мощности ( N ) от угла поворота кривошипа ( ^ ).

Как видно из приведенного рисунка, характер изменения графиков теоретической и экспериментальной зависимости совпадают. Разброс данных, который в отдельных случаях достигает 20. . . 30 %, это на наш взгляд связано с тем, что экспериментальные исследования всегда проходят в условиях значительной неоднородности физико-механических свойств исходного материала (влажность, липкость, коэффициент трения, плотность, гранулометрический состав, исходные размеры и т. д.), кроме того большое значение в экспериментальных исследованиях имеет точность измерений значений опытных данных и эти факторы, на наш взгляд, наложили отпечаток на результаты экспериментальных исследований.

При положении поршня в нейтральном положении, что

соответствует углу поворота кривошипа на > усилие прессования ( Р ) имеет минимальное значение вследствии того, что величина силы трения

и сопротивляемость массы сдвигу (величина касательных напряжений г ) в этом случае минимальны. В дальнейшем, усилие, оказываемое поршнем на прессуемую массу, увеличивается, но незначительно и это происходит до момента, когда угол поворота кривошипа находится в

пределах — 100 Причиной подобного положения является

р _

незначительное увеличение значении сил 17 и 1 . Однако в пределах

7? о «о

угла поворота кривошипа от до и , где 0 соответствует правой

мертвой точке положения поршня, происходит резкое увеличение значения осевого усилия, создаваемого поршнем, на прессуемую массу, достигающего своего максимального значения при угле поворота кривошипа равного 0. Это вызвано тем, что при указанных значениях угла поворота кривошипа усилие сдвига, создаваемое поршнем, переходит в усилие сжатия этой массы, которая при дальнейшем движении поршня устремляется в фильеры матрицы, где происходит формирование брикетов. При значении угла поворота кривошипа 0, вся уплотняемая масса распределяется по фильерам

матрицы и величина осевого усилия (Р ) создаваемого поршнем имеет максимальное значение в виду максимального значения величины силы

[7 ' .

трения гр и изменения структурного состояния уплотняемого материала,

испытывающего неунругие деформации.

При дальнейшем повороте кривошипа начинается обратное движение поршня, сила давления резко уменьшается и достигает своего

минимального значения при ^ = 270. В дальнейшем происходит увеличение значения Р до величины ^тах при значении ^ = 360 по

¡акону, который был описал выше, а затем происходит повторение рабочего [роцесса.

Совпадение характера изменения кривых показывает, что еоретические исследования процесса уплотнения в прессовальной камере юответствуют рабочему процессу установки происходящему в реальных

'СЛОВИЯХ.

Поиск оптимальных конструктивно-режимных параметров «сперименталыгаго брикетного пресса проводился с использованием метода [лавирования многофакторного эксперимента. После реализации имметричного композиционного плана второго порядка типа В4, обработки >езультаттов эксперимента и исключения незначимых коэффициентов >егрессиии было получено уравнение второго порядка, адекватно шисывающее энергоемкость процесса уплотнения:

7 = 3,97 + 0,095 • Х1 + 0,119 • Х2 + 0,098 • Х3 -

-0,071 -Х4 + 0,0131 • X хХ 2 + 0,019-ХхХъ + (4.1) + 0,18 • Х\ + 0,195 • Х\ + 0,28 • X] - 0,38 • X]

Таблица 4.1.

Оптимальные величию! факторов.

Значения факторов, полученные аналитическим методом при расчете системы дифференциальных уравнений Значения факторов, рассчитанные с помощью компьютерной функцпи-макрос Сольвер

X, ^2 х, Х~1 Хх

кодированные птимальные начения »акторов -0,005 -0,101 0,235 -0,093

'аскодированные птимальные начения (акторов 11,9 63,89 28,62 4,6 11,97 64,04 28,53 4,9

>кругленные птимальные начения >акторов 12 64 29 5 12 64 29 5

дин. измерения аскодированных птимальных начениий 1акторов штук об/ мин см. см. штук об/ мин см. см.

Решая совместно систему дифференциальных уравнений, составленных на основе выражения (4.1.) получили координаты центра поверхности отклика, соответствующие оптимальным значениям факторов, которые приведены в таблице 4.1.

Использование компьютерной функции-макрос Сольвер позволило получить данные оптимальных значений факторов, представленных также в таблице 4.1., сравнительный анализ полученных значений показывает, что разброс составляет не более 0,5 . . . 1%.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО БРИКЕТНОГО ПРЕССА

Экономическая эффективность предлагаемой экспериментальной установки определялась в сравнении с четырехштемпельным брикетным прессом ПБС-3. В результате проведенных экономических расчетов установлено, что экономический эффект от применения предлагаемых рабочих органов составляет 2803,45 доллара, срок окупаемости при этом -1,2 года.

6.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Одним из условий решения проблемы снижения дефицит? энергоносителей для сельских глубинок, фермерских хозяйств является использование в качестве энергоисточника отходов биологического происхождения, в частности животноводства, в виде искусственно уплотненных брикетов.

2. Разработка классификации существующих прессов для уплотненш различных материалов позволила определить рациональнук конструктивно-технологическую схему, отличающуюся новизной (патент РК № 3833), которая явилась базой для создания новых I совершенствования существующих брикетных прессов, защищенные патентами РК (патент на изобретение № 724, № 1321, № 3270, № 6331).

3. При прессовании материалов различной влажности наибола высокоэффективными и надежными в работе являются прессы < непрерывным рабочим циклом, с приводом от кривошипно-шатунноп механизма, при котором уплотнение материала происходит в открыто] камере под действием сил трения и бокового давления.

4. Основными показателями, характеризующими процесс уплотнена является конечная плотность получаемых монолитов (1000... 135' кг/м3), величина усилия прессования (12...40 кН/м2), энергоемкость

процесса (3...5 кВт/ч) и производительность установки (2,5...3 т/ч), на которые оказывают значительное влияние физико-механические свойства уплотняемого материала, конструктивные, режимные, кинематические и динамические параметры установки.

5. Применение в качестве основы при теоретических исследованиях уравнения Лагранжа второго рода позволило определить зависимость

между основными показателями, характеризующими процесс

р

уплотнения: усилием прессования ( YD ) и затратами мощности (N) от

угла поворота кривошипа ( ^ ).

3. Использование математического метода планирования эксперимента, в котором в качестве критерия оптимизации принята энергоемкость процесса уплотнения с учетом конечной плотности брикетов, позволило получить математическую модель второго порядка, адекватно описывающую рабочий процесс прессования, протекающий в установке и определить оптимальные значения факторов:

количество пальцев на ворошителе - 12 штук, число оборотов ворошителя - 64 об/мин, величина открытия заслонки - 29 см, длина пальцев на плунжере - 5 см.

7. Обработка результатов экспериментальных исследований, основанных на математическом методе планирования эксперимента, проводилась с использованием компьютерной функции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98). Сравнительный анализ данных, полученных с применением компьютерной программы и данных, приведенных в пункте 6, полученных аналитическим методом при решении системы дифференциальных уравнений показывает, что расхождение результатов не превышает 1%, что свидетельствует о возможности применения предлагаемой компьютерной программы в практических условиях.

3. Годовой экономический эффект от использования предлагаемого брикетного пресса составляет 2803,45 долларов США, срок окупаемости при этом составляет 1,2 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Мурзагалиев К.Г., Маланыш А.II., Мурзагалиев А.К. Брикетирование навоза. /,/ Тезисы докладов к научно-практической конференции «Среда и жизнедеятельность» - Костанай, 1994 - с.209.

2. Мурзагалиев К.Г., Маланыш А.К., Цуркан В.В., Мурзагалиев А.К. Брикетирование навоза. / /' Тезисы докладов в сборнике «Нетрадиционные способы переработки органосодержащих

сельскохозяйственных и промышленных отходов, с целью повышения плодородия почв» - Оренбург, 1994 - с.34.

5. Мурзагалиев К.Г., Цуркан В.В., Мурзагалиев А.К. Исследование технологического процесса брикетирования навоза. // Тезись докладов IX научно-технической конференции "Научное обеспеченш механизации с.х. производства" - Алматы, 1997 - с.94.

6. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К. Определение влияния окружное скорости слоя соломы на величину коэффициента трения ее о сталь // Научные труды Костанайского СХИ, Юбилейный выпуск, часть 1 Костанай, 1996 - с. 144.

7. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К., Маланьин А.Н. Влиянш количества брикетируемой массы навоза на величину уделыюп давления и плотность брикетов. // Научные труды Костанайскоп СХИ, Юбилейный выпуск, часть 1 - Костанай, 1996 - с. 146.

8. Мурзагалиев К.Г., Соловьев С.А., Цуркан В.В., Мурзагалиев А.К Экспериментальная установка для определения механической прочност! топливных брикетов из навоза. / / Научные труды Костанайскоп СХИ, Юбилейный выпуск, часть 1 - Костанай, 1996 - с. 162.

9. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К., Маланьин А.Н. Устройство дд] брикетирования навоза. Патент РК на изобретение № 724 от 15.06,94 г МКИ5 А01С. 3/00.

10. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К. Устройство для брикетироваши навоза. Патент РК № 1321 от 15.06.94 г. МКИ5 А01С. 3/00.

11. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К., Маланьин А.Н., Цуркан В.В Способ получения топливных брикетов из навоза и устройство для ел реализации. Патент РК № 3270 от 10.06.96 г. МКИ5 С. 10. 5/02.

12. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К., Маланьин А.Н. Устройство дл: приготовления брикетов. Патент РК № 3833 от 16.09.96 г. МКИ5 А01С 3/00.

13. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К,, Курманов А.К. Устройство дл. брикетирования навоза. Патент на изобретение РК № 6331. Б.И. № 6 1998.

14. Мурзагалиев К.Г., Мурзагалиев А.К. Устройство для определени. коэффициента трения скольжения материалов. Положительное решени о выдаче патента РК на изобретение по заявке № 970990 от 02.12.98 г.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Г Я" ТТТ1 ТТ /л Т\ л. ТТТГТТ Ч .*: в/п I п и /II 1к а н 1/м/1 |/| А. А А—« ^ Х/Х IX .1Т

1.1. Классификация и анализ рабочих органов машин для уплотнения материалов.

1.2. Обзор исследований по изучению рабочих процессов установок по уплотнению материалов и факторов, влияющих на их основные показатели.г.

1.3. Выводы по литературному обзору и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА УСТАНОВКИ ДЛЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ НАВОЗА.

2.1. Теоретические исследования по определению усилия прессования.

2.2. Теоретические исследования по определению производительности установки по брикетированию навоза.

2.3. Расчет мощности,затрачиваемой на брикетирование навоза.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Общая методика экспериментальных исследований.

3.1.1. Методика подготовки исходного сырья.

3.1.2. Методика определения плотности.

3.1.3. Методика определения влажности.

3.1.4. Методика определения удельного давления.

3.2. Частная методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Методика определения зависимости плотности брикетов (Р ) и удельного давления (Руо ) от количества брикетируемой массы (Ш ) при различной влажности навоза ( Р ).

3.2.2. Методика определения зависимости плотности брикетов (Р ) и удельного давления (Руо) от влажности (Р ) при различном количестве брикетируемой массы (М ).

3.2.3. Методика определения зависимости плотности брикетов (Р ) от влажности навоза при различном диаметре брикетов ( (Л ). Ю

3.2.4. Методика определения зависимости плотности брикетов (Р ) от диаметра брикетов различной влажности навоза (Р ).

3.2.5. Методика определения зависимости усилия прессования (Р ) от длины перемещения поршня (/). ^

3.2.6. Методика определения зависимости усилия бокового давления (Рд ) от длины перемещения поршня (/).

3 2 7 Методика определения механической прочности брикетов,.

3.3, Выводу.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Анализ зависимости плотности брикетов (Р) и удельного давления ( Руо ) от количества брикетируемой массы (tn ) при различной влажности навоза (/?). . m

4.2. Анализ зависимости плотности брикетов (Р) и удельного давления (Pjd) от влажности навоза при различном количестве брикетируемой массы

4.3. Анализ зависимости плотности брикетов (Р) от влажности навоза (Р) при различном диаметре брикетов (d ).

4.4. Анализ зависимости плотности брикетов (Р) от их диаметра id) при различной влажности брикети-руемои массы (Р ).

4.5. Анализ графика зависимости бокового давления (Рб) от длины перемещения поршня (/).

4.6. Анализ графика теоретической зависимости усилия прессования (Р) от угла поворота кривошипа

4.7. Анализ графика экспериментальной зависимости усилия прессования (Р) от угла поворота кривошипа i<P).:. ш

4.8. Анализ графика теоретической зависимости затрачиваемой мощности (N) от угла поворота кривошипа . J

4.9. Анализ графика экспериментальной зависимости затрачиваемой мощности (А/) от угла поворота кривошипа

Л. ¿m* \J

4.10. Анализ графика теоретической зависимости производительности (Q) от частоты оборотов кривошипа (Ç У.,,,,.,,,,,.

4.11. Анализ графика экспериментальной зависимости производительности ( Q) от частоты оборотов кривошипа (Ç). j

4.12. Исследование процесса уплотнения навоза в установке с открытой рабочей камерой методом планирования многофакторного эксперимента.

4.12.1. Оптимизация параметров установки для уплотнения навоза.

4.12.2. Исследование энергоемкости процесса уплотнения в зависимости от параметров и режимов работы прессовальной установки. (Описание почти стационарной области).

4.12.3. Анализ математической модели энергоемкости процесса уплотнения методом двумерных сечений.

4.13. Исследование процесса уплотнения навоза в установке с открытой рабочей камерой и определение оптимальных конструктивно-режимных параметров с помощью компьютерной функции-макрос Сольвер.

4.14. Выводы.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДУЕМОЙ УСТАНОВКИ.

5.1. Методика инженерного расчета

5.2. Расчет экономической эффективности исследуемой установки.

ВЫВОДЫ.т.

В настоящее время в связи с тяжелым экономическим положением сельского хозяйства, энергетическим кризисом, дефицитом энергоносителей для отопления производственных и жилых помещений, в условиях постоянного роста цен на энергоисточники остро стоит вопрос с топливными ресурсами.

Высокая стоимость каменного угля и транспортных расходов не позволяет обеспечить сельскую глубинку необходимым количеством топлива. Проведенные исследования показали, что решить данную проблему можно за счет местных ресурсов, используя в качестве традиционного, в недалеком прошлом источника тепла, обычный кизяк, изготавливаемый из чистого навоза или помета влажностью 3040% , которые после подсыхания на воздухе выдерживают давление 35 кг/см; кв. (19).

Испытания данного вида топлива на теплоту сгорания показали, что их калорийность составляет, в зависимости от влажности используемого навоза, от 2500 ккал/кг до 2750 ккал/кг (19). Каменный уголь имеет калорийность 5000 - 7000 ккал/кг (19). Среднее коллективное хозяйство потребляет в год 2000 т. каменного угля, который можно заменить 4 тыс. тоннами топлива из навоза. Поэтому создание в РК производства топливных брикетов из навоза позволит частично решить проблему обеспечения сельского населения дешевым топливом, кроме того , решение этого вопроса, в какой-то мере, способствует улучшению экологической обстановки, т. к. в связи с организацией фермерских хозяйств в зонах, занимающихся исконным животноводством, в частном секторе, где поголовье животных в последние годы, имеет тенденцию роста, отходы в виде навоза зачастую остаются невостребованными, загрязняя окружающую среду.

За последние годы определилась тенденция к широкому применению новых технологических приемов - прессованию и брикетированию для обработки средств вторичного использования, в частности жмыха, навоза и др. Важность развития этих технологических приемов обуславливается еще и тем, что приготовление определенных видов продукции с помощью прессования и брикетирования позволяет обеспечить необходимые физико-механические свойства получаемых брикетов, а также прочностные качества, соответствующие ГОСТу, наиболее просто решить проблемы комплексной механизации различных технологических процессов, связанных с переработкой и транспортировкой продуктов вторичного использования.

Однако анализ технологических приемов и технических решений показывают, что в связи со сравнительной новизной технологии приготовления продуктов вторичного использования, в реализации достоинств этой продукци имеются определенные трудности. Так, недостаточно решены технологические вопросы подготовки перерабатываемого сырья перед и после уплотнения и связанные с ним технические решения по перемешиванию, накоплению и дозированию уплотняемой массы в прессах.

Кроме того производство брикетированных продуктов сдерживается из-за отсутствия высокопроизводительных и малоэнергоемких прессов. В этих условиях особую актуальность приобретают работы, направленные на повышение производительности прессов и снижение энергоемкости процесса брикетирования.

В сложившихся условиях целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование установки, которая могла бы брикетировать навоз любого вида и состояния с целью его дальнейшего использования в качестве топлива, при полном исключении из технологического процеса приготовления брикетов ручного труда.

В качестве объекта исследования была использована установка для брикетирования навоза, рабочие органы для подачи прессуемого материала, технические решения и устройства для определения параметров рабочего процесса брикетировщиков

Методика исследования. Теоретические исследования с целью определения влияния зависимости различных кинематических, динамических и режимных параметров на рабочий процесс уплотнения, в качестве математического описания которой принято уравнение Ла-гранжа второго рода.

Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием как классических, так и математических методов планирования эксперимента. Определение некоторых параметров физико-механических свойств уплотняемого материала проводили с помощью различных приборов, разработанных специально для этих целей.

Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики с применением компьютерных программ и получением уравнений регрессий, адекватно описывающих исследуемые процессы.

Научную новизну работы составляют:

- классификация прессов, применяемых при уплотнении всевозможных материалов и анализ исследований, посвященных влиянию различных факторов на процесс прессования;

- теоретические исследования с применением уравнения Ла-гранжа второго рода, связывающие такие показатели процесса уплотнения, как усилие прессования, производительность брикетного пресса, затрачиваемая мощность и влияющие на него режимные и конструктивные параметры установки;

- методика проверки адекватности теоретических исследований рабочему процессу, происходящему в установке при уплотнении рабочего материала;

- методики планирования экстремального эксперимента и использование компьютерной функции-макрос «Сольвер» для определения оптимальных конструктивно-режимных параметров установки при уплотнении навоза определенной влажности;

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Проведенные исследования позволили обосновать и реализовать технические средства, позволяющие прессовать навоз любой влажности, вида и состояния.

Имеющиеся в диссертации научные положения и рекомендации позволяют на стадии проектирования и конструирования определить рациональную конструктивно-технологическую схему, которая может служить базой для создания новых и совершенствования существующих брикетных прессов, а также проследить основные тенденции в развитии конструктивных решений рабочих органов и режимных параметров прессов, выявить их перспективное направление и поставить задачу исследования наиболее рациональной (с точки зрения производительности и энергоемкости установки) схемы с учетом конструктивных и режимных особенностей брикетных прессов.

Результаты исследований и разработанная программа на базе функции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98) могут быть использованы специалистами хозяйств при настройке брикетных прессов на оптимальный режим работы.

Работы по внедрению брикетных прессов проводились в сотру-жестве с заводом Костанайагрореммаш и другими научными и производственными организациями.

В течении 1995 - 1996 гг. заводом Костанайагрореммаш были изготовлены 5 комплектов экспериментальной установки (патент на изобретение № 3833), которые были затем реализованы в хозяйствах области.

По теме диссертационной работы на защиту выносятся следующие научные положения:

- анализ и классификация существующих конструкций установок для уплотнения материалов;

- теоретические исследования, направленные на определение основных факторов, влияющих на рабочий процесс прессования;

- экспериментальные исследования рабочего процесса уплотнения с целью определения влияния основных параметров на усилие прессования и плотность получаемых брикетов;

- исследование процесса уплотнения навоза с использованием математического метода планирования и применением компьютерной функции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98). расчет экономической эффективности экспериментальной установки для уплотнения материалов;

ВЫВОДЫ.

На основании обзора предшествующих работ, а также проведенных теоретических и экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Одним из условий решения проблемы снижения дефицита энергоносителей для сельских глубинок, фермерских хозяйств является использование в качестве энергоисточника отходов биологического происхождения, в частности животноводства, в виде искусственно уплотненных брикетов.

2. Разработка классификации существующих прессов для уплотнения различных материалов позволило определить рациональную конструктивно-технологическую схему, отличающуюся новизной (патент РК № 3833), которая явилась базой для создания новых и совершенствования существующих брикетных прессов, защищенных патентами РК (патент на изобретение РК № 724, № 1321, № 3270, № 6331).

3. При прессовании материалов различной влажности наиболее высокоэффективными и надежными в работе являются прессы с непрерывным рабочим циклом, с приводом от кривошипно-шатунного механизма, при котором уплотнение материала происходит в открытой камере под действием сил трения и бокового давления.

4. Основными показателями, характеризующими процесс уплотнения являются конечная плотность получаемых монолитов, величина усилия прессования, энергоемкость процесса и производительность установки, на которые оказывают значительное влияние физико-механические свойства уплотняемого материала, конструктивные, режимные, кинематические и динамические параметры установки.

5. Применение в качестве основы при теоретических исследованиях уравнения Лагранжа второго рода позволило определить зависимость между основными показателями, характеризующими процесс р уплотнения: усилием прессования ( т ) и затратами мощности ( N ) от угла поворота кривошипа (^ ).

6. Использование математического метода планирования эксперимента, где в качестве критерия оптимизации принята энергоемкость процесса уплотнения с учетом конечной плотности брикетов, позволило получить математическую модель второго порядка, адекватно описывающую рабочий процесс прессования, протекающий в установке и определить оптимальные значения факторов: количество пальцев на ворошителе - 12 штук, число оборотов ворошителя - 64 об/мин, величина открытия заслонки — 29 см, длина пальцев на плунжере - 5 см.

7. Обработка результатов экспериментальных исследований, основанных на математическом методе планирования эксперимента, проводилась с использованием компьютерной функции-макрос Сольвер (Microsoft Excel 98). Сравнительный анализ полученных данных с применением компьютерной программы и данных, приведенных в пункте 6.6., полученных аналитическим методом при решении системы дифференциальных уравнений показывает, что расхождение результатов не превышает 1%, что свидетельствует о возможности применения предлагаемой компьютерной программы в практических условиях.

8. Годовой экономический эффект от использования предлагаемого брикетного пресса составляет 2803,45 долларов США, срок окупаемости при этом составляет 1,2 года.

1. Абрамов А. И., Полунин Н. И. и др. Гранулирование комбикормов -М: Колос, 1969, 254 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-ое изд. перер. и доп. - М.: Наука, 1976 - 279 е., ил.

3. Ахматов В. Н., Бондарев И. А., Овдиенко М. Л., Полищук В. Ю., Соколов А. Я. Матрица пресса-гранулятора, А. с. N 1253815 Б. И., 1987, N5.

4. Белехов И. П., Четкин А. С. Механизация и электрификация животноводства М: Колос, 1984, 400 с.

5. Блох Л.С. Практическая номография. М.: Высшая школа, 1971 - 323 е., ил.

6. Васильев Г. К., Сизов В. Н., Климчук В. М. Обоснование параметров пресса цилиндрических паковок льна. Техника в сельском хозяйстве, N 4, 1990, с. 23-28.

7. Гельгар Л. Л., Тихонов В. П. Прессы для винодельческой промышленности. Москва. Пищевая промышленность, 1977, 104 с.

8. Глаголев H.A. Курс номографии М.: высшая школа, 1961 - 267 е., ил.

9. Голубева Т. Г., Хоружик Г. Н., Додин Ж. Л. Изготовление мелких ячеистобетонных блоков по технологической линии типа "Силбетблок". Строительные "материалы, N 15, 1993, с. 31-37.

10. Гордиенко В. В., Манжос Ф. М. Обработка древесно-стружечных плит под давлением. Москва. Лесная промышленность, 1987, 120 с.

11. Горячкин В. П. Сборник сочинений М: Колос, 1965, т. 3, 306 с.

12. Гуськов К. П. и др. Реология пищевых масс. Москва. Пищевая промышленность, 1970, 187 с.

13. Данилин А. С. Производство комбикормов за рубежом М: Колос, 1974, 208 с.

14. Доржиев К. И. Методика экспериментального исследования кольцевого брикетного пресса. Совершенствование технологии и механизации приготовления кормов М: Колос, 1986, с. 67-71.

15. Доржиев A.B. Определение коэффициента трения движения стебельных кормов. В кн.: Вопросы комплексной механизации и автоматизации животноводческих"" ферм. - Сб. научных трудов ЧИМЭСХ. Вып.94, - Челябинск, 1974, с. 63 - 69.

16. Драгилев А. Н. Устройство и эксплуатация оборудования предприятий пищевой промышленности. Москва, ВО "Агропромиздат", 1988, 324 с.

17. Жислин Я. М., Пикус Б. И. Дробильное и прессующее оборудование комбикормового завода. Москва, ВО . "Агропромиздат", 1987, 120 с.

18. Зорохович В. С., Шукуров Э. Д. Производство кирпича. Комплексная автоматизация и механизация. Ленинград. Стройиздат. Ленинградское отделение, 1988, 232 с.

19. Калиаскаров М. К. К исследованию процесса брикетирования овечьего навоза. Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. Алматы, "Бастау", 1994, N 2.

20. Карташов Л. П., Полищук В: Ю., Зубкова Т. М. Уточнение математической модели экструдирования кормов в одношнековых прессующих механизмах. Техника в сельском хозяйстве, 1991, N 7, с. 28-36.

21. Карташов Л. П., Полищук В. Ю., Зубкова Т. М. Формирование математической модели движения материала в одношнековом прессующем механизме. Техника в сельском хозяйстве, 1992, N 5, с. 32-38.

22. Колотушкина А. П. Ценообразование и технический прогресс в сельскохозяйственном машиностроении М: Машиностроение, 1976, 165 с.

23. Кононов Б.В., Свириденко А.К. Физико-механические свойства кормов и их отходов. Труды СИМСХ им.Калинина, 4.2, вып. 4.1. - Саратов, 1968, с. 40 - 46.

24. Красников В.В. Краткий справочник по физико-механическим свойствам сельскохохяйственных грузов. Саратов, 1971. - 81 с.

25. Красников В.В. Коэффициент трения кукурузного силоса по стали. В кн.: Электрификация сельского хозяйства. Научные труды ВИЭСХ. - М., 1964, т.13, с. 116 - 135.

26. Крохин В. М. Брикетирование углей М: Недра, 1984, 243 с.

27. Кукта Г. М. Машины и оборудование для приготовления кормов. Москва, ВО "Агропромиздат", 1987, 304 с.

28. Ладан H. Е., Густун М. И. Полнорационный корм в гранулах -М: Колос, 1974, 322 с.

29. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных производств -Л.: Колос, 1980 167 е., ил.

30. Мурзагалиев К. Г., Маланьин А. К., Мурзагалиев А. К. Устройство для брикетирования навоза. Патент Республики Казахстан N 724 от 15. 06. 94., М. кл. A0ÎC3/06.

31. Мурзагалиев К. Г., Мурзагалиев А. К. Устройство для брикетирования навоза. Патент Республики Казахстан N 1321 от 15. 12. 94., М. кл. А01СЗ/06.

32. Мурзагалиев К. Г., Маланьин А. К., Мурзагалиев А. К., Цуркан В. В. Способ получения топливных брикетов и устройство для егореализации. Патент Республики Казахстан N 3270 от 10. Об. 96., М. кл. C10L5/02.

33. Мурзагалиев К. Г., Маланьин А. Н., Мурзагалиев А. К. Устройство для приготовления брикетов. Патент Республики Казахстан N 3833 от 16. 09. 96-, М. кл. А01СЗ/00.

34. Налимов В.В., Чернова М.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов М.: Наука, 1965 -310 е., ил.

35. Наумович В. М. Теоретические основы брикетирования торфа. АН БССР, Минск, 1960, 233 с.

36. Новак Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация параметров технологии металлов методом планирования экспериментов. М., Машиностроение, 1980 - 302 е., ил.

37. Овдиенко М. Л., Полищук В. Ю,, Тарутин В. П. Матрица пресса-гранулятора. А. с. N 818908 Б. И., 1981, N 13.

38. Особов В. И. Машины и оборудование для уплотнения сеносоло-мистых материалов М: Машиностроение, 1975, 437 с.

39. Полищук В. Ю. Основы теории взаимодействия прессующего механизма гранулятора с комбикормом. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна М: Колос, 1984, 471 с.

40. Полищук В. Ю. Совершенствование конструкций и методов эксплуатации пищевых и кормовых производств. Научные рекомендации, Оренбург, 1993, 23 с."

41. Полищук В. Ю. Совершенствование прессов-грануляторов. Техника в сельском хозяйстве, 1990, N 3, с. 14-19.

42. Полищук В. Ю. Каким быть гранулятору. Комбикормовая промышленность, 1989, N 5, с. 28-34.

43. Подкользин Ю. В. Исследование напряженного состояния кормов при их уплотнении. Техника в сельском хозяйстве, 1990, N4, с. 3237.

44. Равич Б. М. Брикетирование руд. Москва. Недра, 1982, 182 с.

45. Сажнев Н. П., Домбровский А. В., Новаков Ю. Я., Повель Э. В. и др. Некоторые технико-экономические показатели ячеистого бетона, изготовленного по литьевой и ударной технологии. Строительные материалы, 1992, N 9, с. 24-31.

46. Самарский А. А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Вести. АК СССР, 1979, N 5, с. 31-34.

47. Свиткин М. 3., Щедро Д. А. Технология изготовления изделий из измельченной древесины. Москва. Лесная промышленность, 1976, 144 с.

48. Святец И. Е. Технологическое использование бурых углей. Москва. Недра, 1985, 204 с.

49. Святец И. Е., Агросин А. А. Промышленно-генетическая классификация бурых углей Днепровского бассейна. Стандарты и качество, 1973, N 9, с. 55-59.

50. Сергеев М. П., Пережогин М. А. Исследование процессов брикетирования грубых кормов. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1961, N 6, с. 31-37.

51. Симакин Ю. А. Исследование процесса брикетирования кормов зубчатым рабочим органом. Автореферат диссертации. Зерноград, 1978, 28 с.

52. Симакин Ю. А. Исследование процесса брикетирования кормов. Краткие тезисы докладов к межреспубликанской конференции. Ленинград, 1975, 46 с.

53. Симакин Ю. А. К определению производительности брикетного пресса с зубчатым рабочим органом. Сб. "Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства". Выпуск 22. Кормопроизводство и кормоприготовление. Зерноград, 1976, 478 с.

54. Симакин Ю. А. Исследование процесса брикетирования корма зубчатым рабочим органом. Сб. "Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства". Выпуск 25. Кормопроизводство и кормоприготовление. Зерноград, 1976, 439 с.

55. Симакин Ю. А. Совершенствование технологии производства кормов. Рекомендации. Главное управление механизации и электрификации с. х. МСХ СССР М: Колос, 1969, 142 с.

56. Скачко Ю. В., Прохоров А. Н., Анистратенко В. А. Математическая модель сжатия сред и материалов. Техника в сельском хозяйстве, 1990, N 7, с. 21-26

57. Тайц Е. М., Андреева И. А., Антонова Л. И. Окускованное топливо и адсорбенты на основе бурых углей. Москва. Недра, 1985, 160 с.

58. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. М., Легкая индустрия, 1974 - 262 е., ил.

59. Туменов С. Н., Горбатов А. В., Косой В. Д. Обработка мясных продуктов давлением. Москва, ВО "Агропромиздат", 1991, 372 с.

60. Хованский Г.С. Основы номографии. М.: Наука, 1976 - 351 е.,ил.

61. Храпач Р. Ф. Перспективная технология производства кормов. Вестник сельскохозяйственной науки, 1972, N 11, с. 24-29.

62. Храпач Р. Ф. Исследование и совершенствование поточной технологии приготовления травяных кормов искусственной сушки и гранулированных кормосмесей. Автореферат диссертации. 1978, 30 с.

63. Хыбемяги А. Н., Лернер П. С. Выдавливание точных заготовок деталей штампов и пресс-форм. Москва. Машиностроение, 1986, 152 с.

64. Черняев Н. П. Технология комбикормового производства. Москва. ВО "Агропромиздат", 1985, 259 с.

65. Шевцов В. В, Гололобов А. Н. Производительность кольцевой матрицы пресс-брикетировщика. Механизация и электрификация сельского хо зяйства, 1975, N 12, с. 25-31.

66. Шмитько Е. И., Черкасов С. В. Управление плотностью прессованных материалов путем рационального использования потенциала поверхностных и капиллярных сил. Строительные материалы, 1993, N 8, с. 35-39.

67. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин, т. 4. М: Машиностроение, 1969, 455 с.

68. Действующие нормы амортизационных отчислений по основным фондам народного хозяйства СССР: Утверждены постановлением Совета Министров СССР, N 183 от 14 марта 1974 М- - 20 с.

69. Методика определении оптовых цен на новые сельскохозяйственные машины М: Прейскурантиздат, 1969 - 162 с.

70. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализатор ских предложений М.: ВИЭСХ, 1977 - 24 с.

71. Приготовление и использование полнорационных гранулированных и брикетированных кормов. Научные труды ВАСХНИЛ, М. 1975 37 с.

72. Dent J.-B. Farm planning with linear programming; Butterworth, 1986.

73. Doerner D.: Ut desint vires. Ueber den Umgang mit komplexen Systemen. Scheidewege 9, 167 186 S., 1979.

74. Berszan, Gabor. Maschinen der Fleischindustri. Leipzig: Fachbuchverl., 1986. - 252 S.: 210 teils färb.

75. Bormann H, Buxmann J.: Kombinierte Kraftwerkprozesse mit geschlossener Gas- und Dampfturbine. Brennstoff-Waerme-Kraft 33, S. 215-221, 1981.

76. Brandes W. Landwirtschaftliche Betriebslehre, Bd. 1 Allgemeiner Teil; Berlin, 1982.

77. Brandes W. Landwirtschaftliche Betriebslehre, Bd.2 Spezieller Teil; Berlin, 1982.

78. Ellison G. H., Stanmore B. R. High strength Binderless brown coal briquettes. Part 1, 2 Fuel Processing Thechnology, 1981, v. 4., p. 277-289, 291-304.

79. Esser R.: Thermodynamische Aspekte der Abfallverwertung, Abfallwirtschaftsjournal 4 (3), 227-238, 1992.

80. Hanf C.-H. Entscheidimgslehre: Einfuehrung in Informationsbeschaffung, Plannung und Entscheidung unter Unsicherheit; Muenchen, 1986.

81. Hanf C.-H. Introduktion to planning and decision models; Kiel, 1982.

82. Hirschheudt A.: „Zur Abfallverwertung in der BRD. Vor- und Nachteile der Verbrennung und der Kompostierung von kommunalen Abfaellen". Stuttgarter Berichte zur Abfallwirtschaft Band 6/Teil II, S. 433-442, 1975.

83. Jaschke A., Geiger W., Page B.: Informatik im Umweltschutz. Proc.4. Symposium Karlsruhe, 6-8. November 1989. InformatikFachberichte Bd. 228, 452 S. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New Zork,1989.

84. Jentzsch M.: Kohleverwendung und Kohleveredlung. BWK Brennstoff-Waerme-Kraft 42, S. 159-162,1990.

85. Kall P. Mathematische Methoden des Operations Research; Stuttgart, 1976.

86. Koenne M. Die Verwendimg der Linearen Optimierung zur Betriebspiannung; Goettingen, 1968.

87. Krug H., Naindorf W. Zum Phänomen der Entstehungfester Braunkohlenbrikets Neue Bergbautechnik, 1978, N 11, s. 647-653.

88. Mielke H., Woelke M.: Muellverpressung in der zirkulierenden Wirbelschicht. VDI-Umwelt 10/91. Spezial Muellverbrennung und Entsorgung von Reststoffen. V40-v45 (1991).

89. Mitterleitner J.: Energie aus Guelle. Energie 39 (10): 34-47, 1987.

90. Nitsch J., Luther J.: Energieversorgung der Zukunft. SpringerVerlag Berlin, 1990.

91. Reisch E. Betriebs- und Marktlehre, Stuttgart, 1984.

92. Schick K. Lineare Optimierung; Mannheim, 1976.

93. Schiefer G. Bestimmung von Erwartungswert und Varianz der Zielgroessen bei linearen stochastischen Optimierungsproblemen; Kiel, 1976.

94. Schneider J.(Hrsg.): Risiko und Sicherheit technischer Systeme -auf der Suche nach neuen Ansaetzen. 289 S. Birkhauser Verlag Basel, 1991.

95. Schiefer G. LP-Modelle fuer alternative Entscheidungsregeln in Risikosituationen; Kiel, 1981.

96. Shm K. C.: „Entwicklung der Muellverpressungsanlagen in der BRD". Wasser, Luft und Betrieb 20, Nr.2, S. 63-69, 1976.

97. Siemieniewska T. Untersuchungen über die Kapilarstruktur von Braunkohlen Koks, Smola, Gaz, 1969, N 14, s. 80-84.

98. Skadow H. Beitrag über den Einfluss der Presstemperatur bei verschidenen Brikettierparametern auf die Briketteigenschaften. Dissertation, Bergakademie, Freiberg, 1969.

99. Steinhauser H., Langbehn C., Peters U., Einfuerung in die landwirtschaftliche Betriebslehre, Band 1: Allgemeiner Teil, Stuttgart, 1992.

100. Stroebel H. Schwerpunkt Agraroekonomie. Angewandte Lineare Programmierung. Weihenstephan, 1995. - 128 S.

101. Sydow A., Rudolph P.: Software zur Modellierung, Analyse undSteuerung der Wasserqualitaet. In: Jaeschke A., Geiger W., Page B.,(Hrsg.) Informatik im Umweltschutz. InformatikFachberichte Bd.228. S. 348-357. Springer-Verlag Berlin, 1989.

102. Thome-Kozminsky K. J.(Hrsg.): Brennstoff aus Muell. Herstellung und Verwertung von Rueckstandsbrennstoffen als Bestandteil eines Ent- und Versorgungskonzeptes von Kommunen. EF-Verlag fuer Energie- und Umwelttechnik Berlin, 1987.

103. Vater C.: Forschungsergebnisse zur thermischen Nutzung von Brennstoff aus Muell. In: Thome-Kozminsky K.J. (Hrsg.): Recycling von Haushaltsabfaellen 1., S. 369-378. EF-Verlag fuer Energie- und Umwelttechnik Berlin, 1987.183

104. Woehe G. Einfuerung in die Allgemeine Betriebswirtschaftslehre; Muenchen, 1984.