Обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режима работы шестеренного гранулятора кормов
На правах рукописи
Щербина Андрей Витальевич
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ,
ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ
ШЕСТЕРЕННОГО ГРАНУЛЯТОРА КОРМОВ
Специальность 05.20.01 – Технология и средства механизации
сельского хозяйства (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук Зерноград – 2010 2 Диссертация выполнена в Федеральном государственном образовательном учре ждении высшего профессионального образования Азово-Черноморской государствен ной агроинженерной академии.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Богомягких Владимир Алексеевич;
кандидат технических наук, доцент Подкользин Юрий Васильевич
Ведущая организация: Донской государственный аграрный университет (ФГОУ ВПО ДонГАУ п. Персиановский Ростовской области)
Защита состоится _ 2010 года в _ часов на заседании диссер тационного совета ДМ 220. 001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинже нерной академии (АЧГАА) по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (аудитория 201, корпус 5).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат размещен на сайте www.achgaa.ru.
Автореферат разослан «_» 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последнее время благодаря принятым в России нацио нальным проектам большое внимание отводится сельскохозяйственному производству.
Увеличение продуктов растениеводства и животноводства тесно связано с совершен ствованием заготовки и хранения кормов. Начата модернизация не только специализи рованных предприятий промышленного типа, но и общественных, и частных аграрных хозяйств, поэтому актуальным является разработка современного передового оборудо вания для массового применения в индивидуальных фермерских и кооперативных пред приятиях. Значительная роль принадлежит оборудованию переработки зерновых отхо дов и заготовки из них кормов. Среди них актуальны исследования процесса прессова ния сельскохозяйственных материалов, в частности, гранулирования кормов.
Известны сотни возможных конструкций и теоретических схем различного вида прессов, грануляторов и брикетировщиков. Запатентовано большое количество техни ческих решений устройств для обработки различных материалов давлением. Однако до сих пор нет однозначного решения о наиболее эффективной конструктивно-техно логической схеме пресса. Отсутствуют рекомендации по наиболее предпочтительному использованию того или иного типа прессового оборудования в конкретных произ водственных условиях.
Цель исследования состоит в снижении энергоемкости процесса гранулирова ния корма оптимизацией конструктивно-технологической схемы шестеренного прес са, его параметров и режима работы.
Объект исследования. Процесс гранулирования кормов шестеренным прессом с внутренними вальцами.
Предмет исследования. Закономерности гранулирования кормов шестеренным прессом с внутренними вальцами и его режим работы.
Научная новизна состоит в обосновании цикличности сжимающих воздействий на гранулируемый корм, что ускорит релаксацию напряжений в гранулах, в конструк тивно-технологической схеме, параметрах и режиме работы шестеренного пресса с го ризонтальной матрицей и внутренними вальцами, новизна совершенствования которо го подтверждена четырьмя патентами на изобретение и патентом на полезную модель, реализация которой позволила:
• оценить физико-механические свойства комбинированных кормов и исследо вать их влияние на процесс упрочнения гранул;
• установить зависимости деформирования сырья между матрицей и внутренни ми зубчатыми вальцами от соотношения их размеров, удельных затрат энергии и каче ства получаемых гранул;
• получить уточненную математическую модель процесса вовлечения корма в зону сжатия;
• обосновать подачу сырья и частоту сжимающих воздействий в шестеренном прессе для изготовления качественных гранул.
Практическая значимость работы заключается в разработке конструктив но-технологической схемы шестеренного пресса, обосновании параметров и режима его работы, использование которых позволяет:
• снизить энергоемкость гранулирования кормов шестеренным прессом с вну тренними вальцами;
• гранулировать корма с минимальными затратами энергии и должным каче ством на шестеренном прессе с новыми техническими решениями по компоновке мат рицы и внутренних вальцов;
• увеличить производительность пресса для изготовления кормовых гранул.
На защиту вынесены следующие положения:
1. Методика сравнительной оценки конструкций шестеренных прессов.
2. Закономерности деформирования корма в шестеренном прессе с горизонталь ной активной матрицей и внутренними вальцами.
3. Модель подачи корма в пресс с учетом влияния зубчатого венца матрицы и вальцов.
4. Рациональные параметры и режим работы шестеренного гранулятора с дву мя вальцами.
5. Уточненная методика расчета шестеренного пресса.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» и ФГОУ ВПО «Ставропольский ГАУ».
Результаты исследований демонстрировались в экспонатах выствки «Интерагромаш – 2008» (серебряная медаль) и агропромышленной выставки «Ростов гостеприимный – 2010» (золотая медаль). Разработанная конструкция пресса и рекомендации по ре зультатам исследований приняты к производству ООО «Агропродмаш» и внедрены в ООО «ЮгАгроХолдинг», ООО « ДонМаслоПродукт» Ростовской области.
Публикация результатов исследования. Результаты исследований опублико ваны в 16 печатных работах, из которых 1 статья в издании из перечня ВАК, 4 патента на изобретение и патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 150 наименований, в том числе на иностранных языках, и приложений.
Работа изложена на 147 страницах машино писного текста, содержит 45 рисунков, 15 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены вынесенные на защиту основ ные положения.
В первой главе «Обзор исследований технологического процесса гранулирова ния кормов и прессового оборудования. Цель и задачи исследования» даны анализ ре зультатов научных исследований процессов производства твердых гранул из сыпучего сырья растительного происхождения, обзор и анализ исследований режима работы прессующих устройств, анализ исследований шестеренных грануляторов.
Вопросам уплотнения растительных материалов посвящены исследования В.П. Горячкина, С.А. Алферова, М.А. Пустыгина, В.И. Особова, И.А. Долгова, В.Ф. Некрашевича, Г.Я. Фарбмана, С.В. Мельникова, Д.И. Николаева, Ю.В. Подколь зина, Х. Скальвейта, В. Буссе, Й.Л. Батлера, Х.Ф. Макколли, Е. Гиакомелли и других.
По их данным следует:
– общая теория формирования твердых гранул из сыпучего сырья разработана в достаточной степени;
– исследований по обоснованию наиболее рационально организованного процес са упрочнения гранул в канале прессования после сжатия нет;
– отсутствуют рекомендации по предпочтительному использованию того или иного типа прессового оборудования в конкретных производственных условиях;
– применяемые кольцевые прессы энергоемки, а из всего многообразия ше стеренных прессов самый выгодный до настоящего времени не определен;
– в аналитическом исследовании шестеренных прессов схемы с внутренним рас положением нескольких прессующих вальцов не анализировались, и рекомендации о соотношении параметров зубчатой матрицы и зубчатых вальцов отсутствуют.
Рабочая гипотеза. Порционная подача корма при формировании гранулы несколькими циклами позволит ускорить релаксацию напряжений в сжатой среде и увеличить производительность пресса, а многократность обработки сырья возможна не только повышением частоты вращения матрицы, но и установкой нескольких прес сующих вальцов внутри нее.
В задачи исследования входило:
• обосновать критерии сравнительной оценки конструкций шестеренных прес сов и выбрать схему гранулятора средней производительности;
• исследовать влияние физико-механических свойств кормовых смесей на ин тенсивность упрочнения;
• определить взаимосвязи технологических и конструктивных параметров грану лятора с активной матрицей и внутренними вальцами горизонтального расположения;
• исследовать влияние частоты сжимающих воздействий при формировании гранул на затраты энергии и характеристики готовой продукции;
• обосновать ресурсосберегающий режим работы пресса, разработать дополне ния к методике расчета шестеренного пресса и оценить экономическую эффектив ность использования шестеренного гранулятора кормов.
Во второй главе «Теоретический анализ работы шестеренного пресса с гори зонтальной активной матрицей и внутренними прессующими вальцами» проведен сравнительный анализ рабочих органов пресса. Главным критерием принята удельная производительность пресса в пересчете на единицу полезной площади рабочих эле ментов – матриц и вальцов, которые имеют каналы прессования. Вторым критерием для сравнительной оценки является материалоемкость рабочего органа. Сложность привода оценивалась как дополнительный аргумент при ранжировании прессов с раз личными схемами компоновки.
В качестве базовой конструктивно-технологической схемы по результатам срав нительного анализа выбран перспективный горизонтальный одноматричный пресс вы давливающего типа со стандартным, но усовершенствованным профилем зубчатого венца. Рабочий процесс шестеренного гранулятора имеет следующие отличительные особенности:
– захватывающая способность зубчатых поверхностей матрицы и вальца увели чивается в сравнении с гладкими их поверхностями;
– зуб вальца входит во впадину матрицы, т.е. в канал прессования, на высоту го ловки зуба, поэтому основное сжатие под существенным давлением осуществляется только в створе площади канала прессования;
– за счет ускоренного процесса релаксации напряжений в сжатом материале можно при одной и той же длине канала прессования увеличить подачу сырья, ско рость прохождения вдоль канала прессования и тем самым повысить производитель ность пресса;
– полностью исключается трение под большим давлением на перемычках, поэто му потери энергии теплом в окружающую среду почти полностью исключаются.
Источниками повышения производительности шестеренного пресса являются:
доля площади каналов прессования может быть увеличена на матрице;
увеличивается масса впрессованного сырья за счет повышенной захватывающей способности зубча тых поверхностей и скорости прохождения ее по каналу прессования за счет ускоре ния процесса релаксации напряжений в корме;
удваивается и число воздействий на ма териал за один оборот матрицы за счет установки двух прессующих вальцов. Затраты энергии на гранулирование материала в прессе шестеренного типа обусловлены толь ко технологически оправданными воздействиями. Доля непроизводительных затрат ожидается несущественной.
В процессе анализа различных прессов шестеренного типа первична задача вы бора оптимальной схемы его компоновки. В разработанной методике сформулированы два основных и третий дополнительный критерии оптимизации.
Для сравнения отобраны следующие схемы шестеренных прессов выдавливаю щего типа с плунжерным воздействием на материал: 1 – два равновеликих колеса мат рицы внешнего зацепления;
2 – большое колесо-матрица и малое прессующее колесо внешнего зацепления;
3 – внешняя матрица и внутренний прессующий валец;
4 – внешняя матрица и два внутренних прессующих вальца. Очевидно, что эти схемы могут быть в двух вариантах каждая. Это обусловлено условием передачи крутящего момента, так как активной может быть матрица или прессующий валец.
Ширину рабочего колеса приняли для одного ряда каналов прессования. Номер рангового места назначен от варианта с большей производительностью к варианту с наименьшей производительностью в долевом отношении. Производительность устройств определена по формуле Q=qKS, (1) где q – удельная производительность проходного сечения канала прессования, кг/с.см2;
K – число каналов прессования;
S – площадь канала прессования, см2.
Вторым критерием сравнительной оценки является материалоемкость рабочего органа. Введены следующие допущения: рабочие колеса и матрицы рассматриваем как кольца соответствующих диаметров, а прессующие вальцы как сплошные диски, диа метром в одну треть от делительного диаметра соответствующей матрицы.
Формулы оценки материалоемкости для первого варианта S1 = 4R2/3 (2);
для второго варианта S2 = 4R2/3 + 4 R2/9 3 (3);
для третьего варианта S 3 = 4R2/3+ + 4R2/9 (4);
для четвертого варианта S4 = 4R2/3 + 3R2/9. (5) Схема рабочего органа шестеренного пресса диктует условия и для выбора пере даточных механизмов от электродвигателя к приводимому элементу. Поэтому третьим критерием оценивались достоинства и недостатки по общему передаточному числу трансмиссии. Устройства с меньшим передаточным числом предпочтительнее прессов с более сложным приводом, что отображено в сравнительной таблице 2 знаками плюс или минус.
Деформация корма в прессе с внутренними вальцами. Толщина поступающего в Нмакс = R – [r2 + (R – r)2 – 2r(R – r)cos( – )]0,5.
зазор слоя корма: (6) Угол начала сжатия материала: = arccos[(R – r + rcos)/(R – H)]. (7) Относительная деформация корма определяется формулой:
= 1 – [(Rsint/sin) + r] / {R – [r2 + (R – r)2 – 2r(R – r)cos( – )]0,5}, (8) графики которой представлены на рисунке 1.
Данные этих графиков свидетельствуют о том, что r/R=0,15 деформация кормов нарастает быстрее при уменьшении со отношения радиуса вальца к r/R=0, радиусу матрицы. Следова тельно, момент достижения заданной плотности гранулы r/R=0, зависит не только от началь ной насыпной массы прессуе мого материала, но и от пара метров матрицы и вальца.
Давление и работа сжа тия материала в шестерен ном прессе определяются за висимостью между давлением Рисунок 1 – Графики зависимости относительной прессования и плотностью деформации корма от угла его сжатия сырья экспоненциального вида: P = Р0 (ea – 1), (9) где – относительное изменение плотности материала.
Относительное изменение плотности материала рассчитывается по соотноше нию: = ( – 0)/0. (10) Интегрируя зависимость до конечной плотности, получим работу сжатия:
W =P0 (ea – 1) d = P0 [(ea – e0)/a – ] = Р0 [(ea – 1)/a – ]. (11) a Уд. работа сжатия материала: Wуд = Р0 [(e – 1)/a – ]/m, где m – масса, кг. (12) Угол канала прессования навстречу вращению матрицы: = arcsin[(R – r)sin/r]. (13) Значение этого угла зависит от относительной деформации и соотношения ради усов матрицы и вальца. Для вальцов с малым радиусом угол ориентации оси каналов прессования по отношению к радиальному направлению матрицы больше, чем для бо лее крупных вальцов.
При анализе сил в рабочем органе и определении мощности привода шестерен ного пресса нормальная сила давления найдена интегрированием давлений по площа N = k1 BrP0 [(e –1)/a – )].
ди дуги: (14) Тогда сила трения на поверхности прессующего вальца будет:
F = f k1 BrP0 [(e –1)/a – )]. (15) Момент сил на прессующем вальце равен произведению сил трения на радиус внешней поверхности вальца:
М = fk1 Br2 P0 [(e –1)/a – )]. (16) Крутящий момент на матрице должен учитывать количество прессующих валь цов внутри нее и передаточное отношение кинематической связи матрицы и вальцов:
Мм = Кfk1 Br2 P0 [(e –1)/a – )](R/r). (17) Мощность привода пресса без учета потерь на холостой ход и КПД трансмиссии определится по формуле Nпр = Кfk1 Br2 P0 [(e –1)/a – ](R/r). (18) Упрочнение гранул в канале прессования. Общий характер процесса релаксации напряжений в среде описывается формулой Максвелла: = 0 eGt/, (19) где – напряжение конечное, Па;
0 – напряжение начальное, Па;
– вязкость среды, Па.с;
G – коэффициент Пуассона, Па;
t – продолжительность процесса, с.
Управляющие факторы Кратность Доля подачи нагружения корма Упруговязкие Упрочнение гранул: Критерии оценки:
свойства корма: релаксация производительность модуль Юнга, модуль напряжений, пресса, энергоемкость Пуассона, вязкость течение материала гранулирования под давлением Фоновые факторы: влажность, температура, размер частиц, состав смеси Рисунок 2 – Параметрическая схема исследования процесса упрочнения гранул в канале прессования Процесс исследован нами по влиянию намеченных факторов на каждый из вы бранных критериев. Энергоемкость процесса назначена ограничивающим показателем процесса релаксации напряжений в сжатой среде. Суть последующего эксперимен тального исследования заключалась в увеличении кратности нагружений материала при более мелком дроблении подачи сырья. Эксперимент продолжается до тех пор, пока возрастает производительность пресса. Как только энергоемкость процесса начи нала возрастать, дальнейшее увеличение кратности признавалось бесперспективным.
В третьей главе «Программа и методика исследования процесса гранулирова ния корма шестеренным прессом с внутренними прессующими вальцами» изложена программа и методика экспериментального исследования шестеренного пресса и про цесса производства гранул им.
Программой экспериментов предусматривалось:
1. Оценить влияние физико-механических свойств корма на интенсивность упрочнения гранул в канале прессования.
2. Проверить закономерности сжатия и определить численное значение уточня ющего коэффициента для основных зависимостей: подачи сырья в зону сжатия и изме нения относительной деформации.
3. Оптимизировать кратность нагружения среды и дозированной подачи сырья по минимальным затратам на формирование гранул.
4. Обосновать рациональный режим работы гранулятора.
В экспериментальных исследованиях применялись как одно- так и многофактор ные опыты.
Исследования проводились на установках по рисункам 3–6 в соответствии с тре бованиями на испытания сельскохозяйственной техники РД 10.19.5-90 «Машины и оборудование для брикетирования и гранулирования кормов. Методы испытаний».
Рисунок 3 – Общий вид пресса и рабочего органа с двумя вальцами Рисунок 4 – Рабочий орган с одним внутренним вальцом и каналами прессования 9,429,42 мм и 44 мм Рисунок 5 – Валец в сборе на эксцетриковой оси, матрица и обечайка вальца Используемые рабочие органы пресса позволили провести эксперименты по различным схемам сборки и с планируемыми параметрами.
Методикой экспериментального ис следования процесса релаксации напря жений в сжатом комбикорме предусмат ривалось сжатие кормбикорма на винто вом прессе с тензометрическим штемпе лем. Конечная плотность устанавливалась 1000 кг/м3. Время выдержки под давлени ем принято равным 60 секундам. Запись диаграммы напряжения осуществлялась самописцем в течение всего периода вы держки. Масса навески корма – 50 грам мов.
Рисунок 6 – Винтовой пресс По методике определения долевого участия зубчатого венца в подаче и де, Па формации сырья в рабочем органе ше стеренного типа предусмотрено прове дение факторного эксперимента Изменя ющимися факторами в нем избраны доля размера канала прессования по отноше нию к шагу стандартного зацепления и от ношение радиуса прессующего вальца к радиусу матрицы.
Рисунок 7 – Зависимость напряжения Доля канала прессования определе от продолжительности выдержки корма на по формуле С = d/t, (20) в канале где d – размер камеры прессования (диаметр или сторона квадрата), мм;
t – шаг зубча того зацепления, мм;
t = m.
Критерием принято отношение действительной толщины слоя сырья, поступаю щего в зазор между вальцом и матрицей, к аналитически установленной для гладких поверхностей.
План активного факторного эксперимента выбран ортогональным второго по рядка для двух факторов. Пределы варьирования представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Варьирование факторов в эксперименте Кодир. Нижний Средний Верхний п/п Фактор обозначение уровень уровень уровень 1 С = d/t Х1 0,5t t 1,5t 2 r/R Х2 0,4 0,6 0, Методика обоснования рационального режима работы гранулятора с зафикси рованной частотой сжимающих воздействий на корм предусматривала проведение детерминированных экспериментов с опытным определением производительности пресса и энергоемкости процесса при контроле качества гранул.
Частота сжимающих воздействий в прессе изменялась установкой электродвига теля привода с синхронным числом оборотов вала 1000 и 1500 об/мин, а также при менением одного или двух прессующих вальцов внутри матрицы.
В четвертой главе «Анализ результатов экспериментального исследования про цесса гранулирования кормов шестеренным прессом» приведены результаты сравни тельного анализа (табл. 2) конструкторских схем шестеренных прессов и их анализ.
Лучшим вариантом по данным таблицы 2 является схема с внешней матрицей и приводными внутренними вальцами. Весьма близок вариант с одним внутренним при водным вальцом. По организации передачи крутящего момента к рабочим элементам явное преимущество у конструктивно-технологических схем с пассивной матрицей (неподвижной) и активными внутренними вальцами. Однако такие схемы требуют до полнительного устройства для разделения монолита на части и вывода гранул за пре делы пресса. Потребуется и дополнительный привод. Следовательно, лучшим вариан том для массового потребителя прессов малой и средней производительности следует признать схему с активной (вращающейся) матрицей и двумя внутренними прессую щими вальцами.
Таблица 2 – Сравнительная оценка основных конструкторских схем шестеренных прессов Схема пресса Место по Место по Общий Другие п/п Номер ва- производи- материало ранг отличия Схема тельности емкости рианта 1 2 3 4 5 6 1 1-й 1 1 1 – 2-й 1,5 1,33 1,13 – Продолжение таблицы 1 2 4 5 6 3 2-1 1,5 1,33 1,13 + 4 3-й 2 1,33 1,50 – 5 3-1 2 1,33 1,50 + 6 4-й 2,3 1,25 1,84 – 7 4-1 2,3 1,25 1,84 + На рисунках 9 и 10 представлены результаты исследования упруговязких свойств комбикорма для свиней. Изменение напряжения в среде описывается экспоненциальной зависимостью, аналогичной формуле Максвелла:
= 30,49 e0-0,07t, R2 = 0,626, (21) где t – продолжительность выдержки сжатого корма в камере прессования, с.
В начальный период опытные данные не совпадают с аппроксимирующей кривой. В средней и заключительной части опыта совпадение становится лучшим.
Данные этих графиков указывают, что полученная зависимость не в полной мере соответствует физической сущности процесса: первую часть данных зависимость описывает с большой погрешностью, так как корм в течение опыта изменяет свои свойства. Выделим первые четыре точки. Зависимость стала более точной для данного = 66,42 e0-0,35t, R2 = 0,966.
интервала времени: (22) Следовательно, упруговязкие свойства среды изменяются непрерывно в течение всего процесса релаксации напряжений. В данном случае отношение модуля Пуассона к вязкости изменилось от 0,35 в первые 15 секунд до 0,07, усредненного за 60 секунд.
Поэтому аналитическое описание процесса упрочнения сжатого материала под давлением с непосредственным использованием упругих свойств (коэффициент Пуассона) и вязкости чрезвычайно затруднено. Остается оценивать упрочнение гранул в канале прессования в зависимости от частоты сжимающих воздействий по опытным данным.
Рисунок 8 – Изменение напряжения Рисунок 9 – График изменения в комбикорме от продолжительности напряжения в среде за первые 15 секунд выдержки под давлением Влияние зубчатого венца матрицы и вальца на деформацию материала в зазоре между ними отражает уравнение регрессии, моделирующее изменение поправочного коэффициента в расчетные формулы при разных размерах матрицы и вальца:
У1 = 0,80+0,0907Х1 + 0,1242Х2 +0,01575Х1Х2 – 0,01965Х12 – 0,00415Х22. (23) Фтест уравнения равен 0,987447, что указывает на его высокую адекватность.
Анализ этого уравнения ре грессии и его наглядного изоб ражения приводит к выводу, что поправочный коэффициент изменяется от 0,586 до 1,020.
Диапазон составляет почти 50%-ную поправку. Следова тельно, аналитическая зависи мость точно описывает про цесс только в области разме ров, в которой поправка равна единице.
Рисунок 10 – График зависимости по формуле Это соответствует верхнему уровню факторов, то есть отношение размера камеры прессования (размера гранулы) к шагу зацепления равно полутора единицы, а отноше ние радиуса вальца к радиусу матрицы равно 0,8.
При уменьшении указанных параметров поправочный коэффициент все сильнее отличается от единицы. Наибольшая поправка необходима при dгр/t = 0,5 и r/R = 0,4.
Раскодированное уравнение в именованных обозначениях:
К1=0,2835+0,29135(dгр/t)+0,66675(r/R)+0,1575(dгр/t)(r/R)-0,0786(dгр/t)2–0,10375(r/R)2. (24) Уравнение позволяет определить поправочный коэффициент во всем диапазоне исследованных факторов.
Установлено, что угол оси канала прессования относительно радиального направления матрицы зависит от геометрических соотношений матрицы и прессу ющего вальца. Каждый вид корма надо сжимать в разной степени, чтобы получить гранулу требуемой прочности. Единой рекомендации не существует.
При расчете шестеренных прессов угол отклонения оси ка нала навстречу вращению матри цы рекомендуется определять по зависимостям:
для пресса с одним вальцом:
1 = 18,157 – 4,65 – 13,142;
(25) для прессов с двумя или тремя вальцами:
2 = 12,77 – 0,97 – 11,432. (26) Анализ графиков показыва ет, что для уменьшения работы проталкивания материала в канал прессования предпочтительнее применять вальцы большого раз мера. Для прессующих вальцов больших размеров угол между си лой проталкивания и направлени Рисунок 11 – График изменения угла ем перемещения материала ориентации оси канала прессования от относительной деформации материала меньше, чем для вальцов малого диаметра. Поэтому работа перемещения будет меньше на величину, пропорциональную косинусу угла между векторами силы и перемещения.
В дальнейших исследованиях частота воздействий и долевая подача сырья в процессе уплотнения гранул изменялись согласно данным таблицы 3.
Таблица 3 – Варианты обеспечения различной частоты воздействий в прессе № Частота Схема сборки пресса воздействий, Гц 1 3,27 Электродвигатель 4 кВт, 980 об/мин., число оборотов матрицы в минуту 196, одно воздействие за оборот (один валец) 2 4,87 Электродвигатель 7,5 кВт, 1460 об/мин., число оборотов матри цы в минуту 292, один прессующий валец 3 6,54 Электродвигатель 4 кВт, 980 об/мин., число оборотов матрицы в минуту 196, два воздействия за оборот (два прессующих вальца) 4 9,74 Электродвигатель 7,5 кВт, 1460 об/мин., число оборотов матри цы в минуту 292, два прессующих вальца При испытании пресса по первому варианту сборки получены следующие ре зультаты наблюдений (рис. 12).
Производительность пресса возрастает постоянно с увеличением подачи. Одна ко качественные гранулы получаются только до подачи 85 г/с. Это объясняется малой продолжительностью периода упрочнения гранул по мере их продвижения вдоль кана ла прессования. Часть энергии затрачена впустую.
Рисунок 12 – Графики изменения показателей работы пресса от подачи материала при частоте воздействий 3,27 Гц Уравнение крошимости гранул К327 = - 4,672 · 10-4 q2 + 0,2266 q – 8,1581. (27) Подставив предельное численное значение крошимости гранул 10%, определим мак симально возможную подачу корма для этого режима работы пресса: q = 101 г/с.
Уравнение производительности: Q327 = 0,08 · 10-4 q2 + 324,4 · 10-4 q + 98 · 10-4. (28) Для предельной подачи комбикорма производительность пресса будет 3,38 ц/ч.
Уравнение энергоемкости процесса гранулирования корма с частотой сжимаю Э327 = 3,872 · 10-4 q2 – 0,1118 q + 13,2381.
щих воздействий 3,27 Гц: (29) Энергоемкость в данной точке графика составит 5,90 кВт·ч/т.
Рациональным режимом работы данного пресса следует считать подачу корма 101 г/с, которая соответствует качеству гранул с предельно допустимым уровнем кро шимости 10%. Эти показатели для данной частоты воздействий переносятся в сравни тельный анализ с показателями других схем сборки пресса.
Аналогично изложенному порядку определены показатели рационального режи ма работы прессов по трем другим схемам сборки. По ним построен сводный график изменения показателей работы пресса (рис. 13).
По данным графика формулы зависимости произ водительности пресса и энер гоемкости процесса гранули рования корма от частоты сжимающих воздействий имеют следующий вид:
Э = 0,04336 2 – 0,65875 + +7,529, (30) Q = –0,03125 + 0,56625 + + 1,856. (31) Для минимума функ ции энергоемкости процесса гранулирования (по первой производной) частота сжи мающих воздействий будет Р и с у н о к 1 3 – С в о д н ы й г р а ф и к з а в и с и м о с т и равна = 7,60 Гц.
производительности пресса и энергоемкости процесса гранулирования от частоты сжимающих воздействий Производительность пресса увеличится до 435 кг/ч при энергоемкости процесса гра нулирования комбикорма 5,03 кВт.ч/т.
Таким образом, увеличение частоты сжимающих воздействий с разделением по дачи на кратные доли ускоряет упрочнение гранул и способствует увеличению произ водительности пресса. Установленная частота сжимающих воздействий соответствует схеме пресса с двумя прессующими вальцами внутри матрицы.
Производственные показатели работы пресса с рациональными параметрами и режимом работы (в его конструкции заложены новые технические решения по четырем патентам на изобретения и патента на полезную модель) сравнивались с тео ретической производительностью пресса, определенной по формуле (рис.14):
Qч = Hмакс K1 B 0 R, (32) где В – действительная ширина прессующего вальца, м.
Производственные опыты подтвердили основные показатели шестеренного пресса: подача комбикорма 121 г/с двумя долями по 60,5 г/с, производительность рав на 435 кг/ч, энергоемкость процесса гранулирования 5,03 кВт.ч/т. Погрешность опре деления производительности по аналитическим зависимостям в зоне рационального режима равна 2,5% и увеличивается с превышением частоты сжимающих воздействий свыше 7,6 Гц до 15,2%.
Пресс ООО «Агропродмаш» с одним прессующим вальцом и стандартным эвольвентным профилем показал производительность 216 кг/ч при энергоемкости про цесса 8 кВт.ч/т. В экспериментальном прессе вдвое увеличена производительность за счет увеличения доли канала прессования по отношению к шагу зацепления и увели чения количества сжимающих воздействий на корм двумя вальцами.
Ри сунок 14 – Графики сравне- ния теорети- че ской и экспери менталь ной произво- ди тельно- сти шестеренного пресса В пятой главе «Методика инженерного расчета пресса и экономическая эффек тивность результатов исследований» представлены дополнения к инженерному расче ту шестеренных прессов и экономическое обоснование эффективности использования результатов исследования. Годовой эффект может составить 77470 рублей на один пресс при сроке окупаемости дополнительных капвложений 0,14 года, а срок окупае мости общих затрат на разработку и освоение выпуска первых 10 прессов равен 3,6– 3,9 лет.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. По производительности и материалоемкости наиболее предпочтительной конструктивно-технологической схемой пресса средней производительности является гранулятор кормов с активной матрицей и двумя внутренними прессующими вальцами.
2. Процесс упрочнения гранул в канале прессования зависит от кратности на гружения и доли подачи сырья. Упруговязкая характеристика комбикорма постоянно меняется на различных стадиях процесса гранулирования. Отношение модуля Пуассо на к вязкости его изменяется от 0,35 в первые 15 секунд до 0,07 усредненного за 60 се кунд выдержки комбикорма под давлением. Процесс релаксации напряжений не за канчивается за 60 секунд наблюдений. Наиболее интенсивно релаксация напряжений протекает в первый период выдержки корма под давлением.
3. Толщина слоя сырья, вовлекаемого в зону сжатия, увеличивается до соотно шения радиусов вальца и матрицы 0,5, а в дальнейшем снижается. Полученные зави симости (6, 7 и 8) не учитывают дополнительную подачу сырья объемными элемента ми зубчатого венца. На деформацию корма в прессе влияет исполнение зубчатого вен ца матрицы. Толщина вовлекаемого в зону сжатия корма увеличивается. Уточняющий коэффициент в полученных формулах для определения деформации и толщины слоя корма зависит от отношения радиуса вальца к радиусу матрицы, а также схемы фрезе рования зубчатого венца у матрицы и моделируется формулой (24).
4. Угол между силой проталкивания и направлением перемещения уменьшается с увеличением радиуса внутренних прессующих вальцов. При проектировании прессов с одним прессующим вальцом внутри матрицы угол ориентации каналов прессования определяется зависимостью (25), а с двумя или тремя вальцами – формулой (26).
5. Производительность пресса увеличивается, а энергоемкость гранулирования кормов снижается при увеличении кратности силового нагружения среды (числа валь цов). Увеличение частоты сжимающих воздействий с разделением подачи на кратные доли ускоряет упрочнение гранул и способствует увеличению производительности пресса. Однако с увеличением частоты воздействий свыше 7,6 Гц энергоемкость про цесса увеличивается. Рациональным значением частоты воздействий является 7,6 Гц, что соответствует числу оборотов матрицы 228 за минуту при двух внутренних прес сующих вальцах.
6. Шестеренный пресс с горизонтальной вращающейся матрицей и двумя прессу ющими вальцами внутри нее при экспериментально установленных рациональных па раметрах и режиме работы обеспечивает увеличение производительности до 435 кг/ч качественных гранул и снижение энергоемкости процесса до 5,03 кВт·ч/т.
7. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 77469,4 руб. за один год использования при снижении удельной материалоемкости с 2,54 до 0,99 кг/т. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений около полугода.
ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ В изданиях из перечня ВАК 1. Щербина, А.В. Определение рационального режима работы гранулятора ше стеренного типа [Текст] / Д.С. Волков, А.В. Щербина // Вестник Донского государ ственного технического университета – Ростов-на-Дону, 2009. Том 9, № 4 (43). – С. – 727.
В описаниях патентов 2. Щербина, А.В. Патент № 90733 «Сборная матрица шестеренного гранулятора кормов» [Текст] / Д.С. Волков, В.И. Щербина, А.В. Щербина, А.Н. Шишин, В.Ф. Яла мов// RU 90733 U1, МПК В30В 11/00. Опубл. 20. 01. 2010. Бюл. №2.
3. Щербина, А.В. Патент № 2261585 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щер бина, С.В.Щербина, А.В. Щербина, Л.Н. Родина // Опубл. БИ № 28, 2005.
4. Щербина, А.В. Патент № 2261586 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щерби на, С.В. Щербина, А.В. Щербина, Л.Н. Родина, И.В. Ширшиков// Опубл. БИ № 28, 2005.
5. Щербина, А.В. Патент № 2262443 «Пресс для гранулирования кормов» [Текст] / В.И. Щербина, С.В. Щербина, А.В. Щербина, Л.Н. Родина, А.Ф. Зорин // Опубл. БИ № 29, 2005.
6. Щербина, А.В. Патент № 2264076 «Шестеренный пресс» [Текст] / В.И. Щер бина, С.В. Щербина, А.В. Щербина, Л.Н. Родина // Опубл. БИ № 32, 2005.
В зарубежных сборниках трудов 7. Щербина, А.В. Перспективы совершенствования прессов для гранулирования кормов [Текст] / И.Н. Краснов, В.И. Щербина, Л.Н. Родина, А.В. Щербина // Праці Таврійськой державної агротехнічної академії – Вип. 34. – Мелітополь: ТДАТА, УКРАЇНА, 2005. – С. 48–51.
8. Щербина, А.В. Результаты оптимизации параметров и режима работы ше стеренного пресса плунжерного действия с двумя равновеликими зубчатыми колесами внешнего зацепления [Текст]/А.В. Щербина, В.И. Щербина, Л.Н. Родина//Праці Таврійськой державної агротехнічної академії – Вип. 34. – Мелітополь: ТДАТА, УКРАЇНА, 2005. – С. 51–56.
В сборниках трудов 9. Щербина, А.В. Результаты экспериментального определения рационального режима работы шестеренного гранулятора [Текст] / Д. С. Волков, В.И. Щербина, А.В. Щербина, Ж В. Матвейкина, А.Н. Шишин // Вестник аграрной науки Дона. – Зер ноград, 2008. Вып. 4. – С. 91–94.
10. Щербина, А.В. Шестеренный гранулятор кормов для фермеров [Текст] / В.И. Щербина, А.В. Щербина, А.Н. Шишин // Экономика, организация, технология и механизация животноводства. Межвузовский сборник трудов. Вып. 4 – Зерноград:
ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. С. 108–113.
11. Щербина, А.В. Ресурсосберегающие принципы конструирования шестерен ных прессов [Текст] / В.И. Щербина, А.В. Щербина, А.Н. Шишин // Экономика, орга низация, технология и механизация животноводства. Межвузовский сборник трудов.
Вып. 4 – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. С. 105–108.
12. Щербина, А.В. Оптимизация параметров зубчатых колес шестеренных грану ляторов плунжерного типа [Текст]/ А.В. Щербина, В.И. Щербина, С.В. Щербина, Л.Н. Родина // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т.
Вып. 6, юбилейный. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. С. 145–149.
13. Щербина, А.В. Влияние угла зацепления на показатели процесса сжатия кор ма в шестеренном грануляторе плунжерного действия [Текст] /А.В. Щербина, В.И. Щербина, А.И. Удовкин // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 5. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004.
14. Щербина, А.В. Методика инженерного расчета шестеренного пресса форму ющего типа [Текст]/А.В. Щербина, В.И. Щербина, А.И. Удовкин// Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 5. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004.
15. Щербина, А.В. Оптимизация параметров зубчатого венца шестеренного гра нулятора [Текст] / А.В. Щербина, А.Ф. Зорин // Совершенствование процессов и тех нических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 3. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2004. – С. 137–139.
16. Щербина, А.В. Влияние модуля зуба на сжатие кормов в шестеренном грану ляторе [Текст] / А.В. Щербина, С.А. Белоконов, А.Ф. Зорин // Совершенствование про цессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 3. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧ ГАА, 2001. – С. 155–159.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 22.11.2010.
Формат 60х84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 453.
© РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.