CC BY
33
УДК 631.363.7
О ВЛИЯНИИ КОНУСНОСТИ НАПРАВИТЕЛЯ НА ПРОДВИЖЕНИЕ СМЕСИ В ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРЕ
И. Л. Орсик, соискатель
ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА», Россия, 8-927-202-31-87, е-mail: orsik@russia.ru
В настоящее время при производстве кормов особое место занимает экструзионная переработка мясо-рыбных отходов. Данная технология наилучшим образом решает вопросы утилизации мясо-рыбных отходов и обеспечивает получение кормовой добавки с высокой степенью усвояемости и бактериальной чистоты. Серийно выпускаемые пресс-экструдеры предназначены в основном для переработки зернового сырья и требуют модернизации рабочих органов для качественного выполнения процесса экструзии мясорыбных отходов.
В связи с этим с целью улучшения технологического процесса переработки рыбных отходов предлагается усовершенствование зоны подачи пресс-экструдера путем установки конусного направителя, позволяющего повысить производительность серийного пресс-экструдера КМЗ-2У.
В статье представлен теоретический анализ влияния угла конуса на скорость продвижения экструдата и условие продвижения по его поверхности. Представлены аналитические выражения для определения наиболее эффективного диапазона величин конусности направителя.
Ключевые слова: пресс-экструдер, конус, шнек, экструдат.
Введение. Без качественных кормов невозможно добиться эффективности производства продукции животноводства [1, 2, 3]. В настоящее время при производстве кормов особое место занимает экструзион-ная переработка мясо-рыбных отходов. Данная технология наилучшим образом решает вопросы как утилизации мясо-рыбных отходов, так и получения кормовой добавки с высокой степенью усвояемости и бактериальной чистоты [4,5].
Целью нашей работы было определение наиболее эффективного диапазона величин конусности направителя, обеспечивающего повышение производительности пресс-экструдера.
Серийно выпускаемые пресс-экструде-ры предназначены в основном для переработки зернового сырья и требуют модернизации рабочих органов для качественного выполнения процесса экструзии мясо-рыбных отходов. Поэтому совершенствование узлов и агрегатов пресс-экструдера, позволяющих повысить производительность машины и за счет этого снизить энергоемкость экструдирования кормов является важной научно-технической задачей.
Одной из важнейших особенностей процесса экструзии является повышение изотропности перерабатываемого материала и его гомогенизации [6, 7, 8].
Для этого первостепенное значение придается направителю как рабочему органу,
от конструкции которого зависят динамические характеристики процесса [9-11].
Результаты исследований. С целью улучшения технологического процесса переработки рыбных отходов предлагается усовершенствование зоны подачи пресс-экструдера путем установки конусного на-правителя. При всем разнообразии форм направителя (от цилиндрических до сфероидных) наиболее рациональным представляется направитель, выполненный в виде конуса с увеличением диаметра по ходу движения экструдата (рис. 1) [12].
Наличие в корпусе 1 между задним витком прессующего шнека 4 и задним витком подающего шнека 3 направителя 7, выполненного в виде конусной втулки, обращенной меньшим основанием в сторону подающего шнека 3, а большим основанием в сторону прессующего шнека 4, способствует снижению энергоемкости экс-трудирования за счет стабильности протекания процесса подачи и предварительного уплотнения корма. Особенности нарастания давления корма по конусной поверхности направителя 7 позволяют получать более плотный корм, причем одинаковой плотности по всей площади его сечения, а также перемещать корм подающим шнеком 3 с наименьшим сопротивлением в зону прессующего шнека 4.
Данная форма направителя позволяет обеспечить такое взаимодействие ком-
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 73
Рис. 1. Пресс-экструдер для приготовления кормовой массы: 1 - корпус; 2 - загрузочный бункер; 3 - подающий шнек; 4 - прессующий шнек; 5 - направитель
прессионного и демпфирующего факторов, что на выходе направителя (на входе в зону прессования) получается более однородная и плотная масса, чем при других формах направителя. Эта реструктуризация смеси объясняется тем, что в связи с наличием трения между материалом направителя и экструдатом, и также его вязкости и гетерогенности фрагменты смеси будут иметь разные абсолютные скорости, испытывать на себе разные динамические воздействия и, следовательно, будут перемещаться друг относительно друга, вытесняя при этом влагу и воздух из межфрагментарных пространств. Очевидно, что в результате этого непрерывного процесса однородность и плотность экструдата будут неизбежно повышаться [13, 14].
В таком случае на входе в зону прессования выявляется связь между состоянием смеси и её физическими параметрами (скоростью, плотностью, вязкостью, влажностью и трением), а также соотношением геометрических параметров направителя.
В связи с постановкой задачи повышения производительности процесса встает вопрос об установлении зависимости осевой скорости материала от угла конуса на-правителя.
Прежде чем подвергнуть анализу влияние угла конуса на скорость продвижения экструдата, следует определиться в значимости действующих сил. Дело в том, что сила сцепления частиц экструдата между собой и поверхностью направителя различны по величине и варьируют в широком диапазоне. Наиболее вероятным представляется такой характер взаимодействия частиц экструдата, когда перемещения их относительно поверхности направителя
потребуют меньших энергетических затрат, чем относительно друг друга. Иначе говоря, фактор трения будет преобладающим по сравнению с фактором вязкости. При этом следует заметить, что контакт некоторого количества экструдата с поверхностью направителя будет непрерывно меняться.
Итак, пусть на поверхности направите-ля в точке, одновременно принадлежащей основанию витка и конической поверхности, находится элемент субстрата некоторого объема. При вращении направителя вокруг оси элемент субстрата также придает движение, испытывая на себе влияние различных сил (рис. 2).
Очевидно, что наличие конусности является фактором сопротивления движению в осевом направлении, т. е. существует интервал значений угла конуса, за пределами которого сила давления винтовой поверхности не обеспечит продвижение экструдата в сторону выходного сечения. При ряде допущений границу этого интервала можно определить аналитически, исходя из геометрии действующих сил.
В качестве допущений принимается пренебрежимое влияние гравитационных и центробежных сил [15, 16, 17].
Поскольку внешняя сила действует в плоскости, параллельной центральной оси (2) шнека, то с учетом допущений эту плоскость можно считать горизонтально ориентированной. Поэтому при разложении внешней силы и получения результирующей можно выделить проекцию этой силы на ось (27), параллельную центральной. При проведении сечения через эту и центральную оси получается продольное сечение, в котором показаны действие осевой силы и роль величины угла конуса.
Рис. 2. Схема сил, действующих на элемент субстрата: 1 - виток шнека направителя; 2 - кожух шнека; 3 - коническая часть направителя
Из рисунка видно, что осевая сила Foc
при воздействии на элемент экструдата может быть разложена по двум ортогональным направлениям: по образующей
конуса FK и по нормали к поверхности конуса N . Сила FK является действующей
(полезной) в отношении продвижения экструдата по конической поверхности к выходному отверстию. Сила N создает силу трения, обусловленную коэффициентом трения f. Кроме того, существует сила реакции Rn (согласно законам классической механики), равная силе и противоположная ей по направлению. Обе эти силы препятствуют движению экструдата.
При проецировании этих сил на ось Z условие продвижения экструдата следующее:
Fz-Fmpz -FN2 >0. (1)
Замена каждой из проекций ее развернутым выражением (рис. 2), приводит к более строгому условию:
Foc ■Cosp-Cosp-Foc -Sine f-Cos в- Foc -SmfiSmP»,
Foc (Cos2 в- f-Sine-Cose-Sin2 в)>0. (2)
Сила Foc для элемента экструдата является внешней и может считаться const
при рассмотрении связи величины угла в и коэффициента трения f.
Тогда выражение (2) принимает вид
Foc-0tf)>O, (3)
где 0(p)=Cos2p-f-Sinp-Cosp-Sin2в - функциональный показатель, учитывающий влияние конусности на продвижение смеси. Так как Foc>0, то при сокращении на
Foc выражение (3) принимает окончательный вид:
Cos2 в- f ■SineCose-Sin2e>0-
(4)
Последующее преобразование позволяет получить условие продвижения смеси по поверхности направителя:
f 1 f 2 <ctg 2в«в< 2 arcctS 2
(5)
В качестве иллюстрации данного выражения приводится график зависимости верхней границы угла р от коэффициента трения / (рис. 3). Ряд значений угла определяется в интервале для коэффициента трения от 0 до 1 исключительно.
Так как границы интервала исключаются и наиболее вероятные (с практической точки зрения) значения угла р будут находиться внутри множества значений
„ „ 1 I
0<в< ^агс2 ' то уместно воспользовать-
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 75
Рис. 3. Поле (А) допускаемых значений угла в
ся нормальным законом распределения случайных величин. Тогда величины угла в будут адекватны средним значениям интервала.
Вывод. Таким образом, выбор рациональной конусности направителя определяется конкретным диапазоном значений угла в и влиянием других физико-меха-
нических свойств экструдата, режимных параметров, качеством обработки поверхности рабочих органов и др. Предлагаемое аналитическое выражение (5) позволяет определить наиболее вероятное значение угла в в интервале коэффициента трения от 0 до 1 исключительно.
Литература
1. Быченков, В. И. Резервы кормового поля / В. И. Быченков, О. Н. Кухарев, А. С. Ганкин // Кормопроизводство. - 2002. - № 5. - С. 2-3.
2. Кухарев, О. Н. У истоков молочной реки / О. Н. Кухарев, В. И. Быченков, А. С. Ганкин // Молочная промышленность. - 2002. - № 2. - С. 19-20.
3. Кухарев, О. Н. Как получить дешевое молоко / О. Н. Кухарев, В. И. Быченков, А. С. Ганкин // Сельский механизатор. - 2002. - № 3. - С.26.
4. Кадыров, Д. И. Экструзионная переработка биологических отходов в корма / Д. И. Кадыров, А. Л. Гарзанов, В. Л. Плитман // Птицеводство. - 2008. - № 7. - С. 53-54.
5. Мотовилов, К. Я. Экспертиза кормов и кормовых добавок: учеб. пособие для вузов / К. Я. Мотовилов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. - 336 с.
6. Быковская, Г. П. Реология и экструзионные процессы / Г. П. Быковская // Хлебопродукты. -1992. - № 7. - С.50.
7. Денисов, С. В. Повышение эффективности приготовления кормосмеси на основе стебельчатого корма и обоснование параметров пресс-экструдера: дис. ... канд. техн. наук / С. В. Денисов. - Саратов, 2006.
8. Гаврилов, Н. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Н. В. Гаврилов. - Оренбург, 2005. - 121 с.
9. Дидык, Т. А. Повышение эффективности технологического процесса и обоснование параметров шнекового пресса для экструдирования зернового материала: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Т. А. Дидык. - Саратов, 2006. - 172 с.
10. Новиков, В. В. Теоретические и практические аспекты экструзионной технологии приготовления кормов / В. В. Новиков, И. В. Успенская, Е. В. Янзина, А. Л. Мишанин // Известия ФГОУ ВПО СГСХА. - 2008. - № 3.
11. Новиков, В. В. Влияние сил трения и вязкости экструдата на процесс экструзии / В. В. Новиков, В. В. Успенский // Сборник материалов НПК молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - 88 с.
12. Патент № 131948 РФ. Экструдер для приготовления кормовой массы / В. В. Новиков, В. В. Коновалов, И. Л. Орсик, А. Л. Мишанин; заявка № 2013112063/13, заяв. 18. 03. 2013.
13. Прищепов, В. Б. Влияние зоны питания на работу одношнекового экструдера: дис. ... канд. техн. наук / В. Б. Прищепов. - Москва, 2003. - 204 с.
14. Успенский, В. В. Анализ движения материала в пресс-экструдере / Д. В. Беляев, В. К. Малышев // Материалы Всероссийской НПК. - Ульяновск: РИЦ УГСХА, 2008. - С. 17-22.
15. Фисиенко, К. А. Оптимизация процесса экструдирования кормов с учетом изменения геометрических и режимных параметров рабочего пространства шнекового прессующего механизма: автореф. дис. ... канд. техн. наук / К. А. Фисенко. - Оренбург, 2000. - 16 с.
16. Харыбина, Н. А. Повышение эффективности процесса экструдирования зерна с обоснованием конструктивно-режимных параметров зоны подачи пресс-экструдера: дис. . канд. техн. наук / Н. А. Харыбина. - Уфа, 2011. - 167 с.
17. Кадыров, Д. И. Непищевые отходы - в доходы / Д. И. Кадыров // Мясная индустрия. -2011. - № 6. - С. 66-69.
UDK 631.363.7
ABOUT INFLUENCE OF CONE GUIDING EQUIPMENT ON TRANSPORTING THE MIXTURE IN THE PRESS-EXTRUDER
I.L. Orsik, applicant
FSBEE HPT «Samara SAA», Russia, t. 8-927-202-31-87, е-mail: orsik@russia.ru
Nowadays, in fodder production extrusion processing meat-fish by-products plays a particular role. This technology solves the problem of the utilization of meat and fish waste and provides fodder additive with high degree of digestibility and bacterial purity. Commercially produced press-extruders are mainly available for processing grain raw material and require modernization of working bodies for qualitative operating for the extrusion process of meat-fish by-products.
In this regard, to improve technological process of processing fish waste the authors propose improvements of the delivery zone of the press-extruder by installing cone guiding equipment, which enables to increase productivity of serial press-extruder KMZ-2U.
The article presents a theoretical analysis of the impact of the cone angle on the movement velocity of the extrudate and condition for the movement on its surface. The analytical formula to define the most effective range of values taper guiding equipment are presented in the article.
Key words: press-extruder, cone, auger, extrudate.
References:
1. Bychenkov, V. I. Reserves of fodder fields / V. I. Bychenkov, O. N. Kukharev, A. S. Gankin // Kormoproizvodstvo. - 2002. - № 5. - P.2-3.
2. Kukharev, O. N. At the origins of the milk river / O. N. Kukharev, V. I. Bychenkov, A. S. Gankin // Molochnaya promyshlennost. - 2002. - № 2. - P. 19-20.
3. Kukharev, O. N. How to get cheap milk / O. N. Kukharev, V. I. Bychenkov, A. S. Gankin // Sel-sky mekhanizator. - 2002. - № 3. - 26 p.
4. Kadyrov, D.I. Extrusion processing of biological by-products into forage / A. I. Kadyrov, A. L. Gasanov, V. L. Plitman // Ptitsevodstvo. - 2008. - № 7. - P. 53-54.
5. Motovilov, K. Ya. Examination of feeds and feed additives: textbook for universities / K. Ya. Mo-tovilov [et.al.]. - 2nd edition, corr. and added. - Novosibirsk: Sib. univ. edition, 2007. - 336 p.
6. Bykovskaya, G. P. Rheology and extrusion processes / G. P. Bykovskaya // Bakery products (Khleboprodukty). - 1992. - № 7. - 50 p.
7. Denisov, S. V. Raising the efficiency of preparation of feed mixtures based on stalked feed and substantiation of the parameters of the press-extruder: dis. ... cand. the techn. sciences / S.V. Denisov. - Saratov, 2006.
8. Gavrilov, N.V. Substantiation of structural and regime parameters of the extruder in the processing of feed mixtures: dis. ... cand. of techn. sciences: 05.20.01 / N.V. Gavrilov. - Orenburg, 2005. - 121 p.
9. Didyk, T. A. Raising the efficiency of technological process and substantiation of the parameters of the auger press for extruding grain material: dis. ... cand. of techn. sciences: 05.20.01 / T. A. Didyk. - Saratov, 2006. - 172 p.
10. Novikov, V.V. Theoretical and practical aspects of extrusion technology of fodder preparation / V.V. Novikov, I.V. Uspenskaya, Ye.V. Yanzina, A. L. Mishanin // Izvestiya of FSEE HPT SSAA. -2008. - № 3.
11. Novikov, V. V. Influence of forces of friction and viscosity of extrudate on the process of extrusion / V.V. Novikov, V.V. Uspensky // Collection of materials of SPC of young scientists. - Penza: EPD, PSAA 2007. - 88 p.
12. Patent № 131948 of the Russian Federation. Extruder for the preparation of forage / V.V. Novikov V.V. Konovalov, I. L. Orsik, A. L. Mishanin; application № 2013112063/13 announced. 18. 03. 2013.
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 77
13. Prishepov, V. B. Influence of power zone on the work of single screw extruder: dis. ... cand. of techn. sciences / V. B. Prishepov. - Moscow, 2003. - 204 p.
14. Uspensky, V.V. Analysis of material movement in the press-extruder / D.B. Belyayev, V. K. Maly-shev // Materials of all-Russian scientific-practical conference. - Ulyanovsk: the EPC USAA, 2008. -P. 17-22.
15. Fisenko, K. A. Optimization of extrusion process of feed considering changes of geometrical and operational parameters of the working space of a screw conveyor mechanism: Abstract dis. ... cand. of tech. sciences / K. A. Fisenko. - Orenburg, 2000. - 16 p.
16. Kharybina, N. A. Raising the efficiency of the process of extrusion of grain with substantiation of structural and regime parameters of the zone of the press-extruder: dis. ... cand. of techn. sciences / N. A. Kharybina. - Ufa, 2011. - 167 p.
17. Kadyrov, D.I. Turning non-food wastes into to profit / D. I. Kadyrov // Meat industry. - 2011. - № 6. -P. 66-69.
УДК 631.333
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВНЕСЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
С. И. Щербаков, канд. техн. наук, профессор; Ю. Е. Елизаров, инженер
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. 8(412) 628-579
Наиболее перспективным способом снижения затрат на производство продукции растениеводства и повышения рентабельности отрасли является внедрение системы точного земледелия. Одной из важных и трудоемких операций является внесение органических удобрений в почву. При этом необходимы устройства для составления карт плодородия полей и разбрасыватели органических удобрений, способные по полученным картам дифференцированно вносить удобрения.
Разработанный комплекс машин, включающий в себя устройство для картографирования карт полей по электропроводности и машину для дифференцированного внесения твердых органических удобрений, позволяет существенно снизить затраты на построение карт почв полей и внесение удобрений. Представлены также основные способы переработки навоза и получения качественных удобрений, приведены основные показатели эффективности дифференцированного внесения твердых органических удобрений.
Ключевые слова: дифференцированное внесение органических удобрений, разбрасыватель твёрдых органических удобрений, картографирование плодородия почв.
Глобальные проблемы человечества в последние десятилетия оказывают всё большее влияние на аграрную сферу деятельности. Среди наиболее острых проблем следует отметить широкомасштабное развитие эрозионных процессов, острый дефицит водных ресурсов, глобализацию производства и рынков, рост населения планеты при ограниченных земельных ресурсах, быстрорастущее потребление не-возобновляемых природных ресурсов, глобальные изменения климата и целый ряд других проблем, успешное решение которых может быть основано только на укреплении инновационного потенциала аграрной сферы, энергоресурсосбережении, внедрении информационных технологий, экологизации сельского хозяйства.
Одной из трудоёмких задач в сельском хозяйстве является внесение удобрений для повышения плодородия почв. Внесе-
ние органических удобрений, получаемых на основе навоза животных, в последнее время осуществляется неэффективно. Минеральные удобрения относительно дороги, что делает применение твердых органических удобрений, производимых в самих хозяйствах из навоза сельскохозяйственных животных, более эффективным и менее затратным по сравнению с внесением минеральных удобрений. При этом снижается себестоимость работ по внесению удобрений за счет уменьшения затрат на приобретение минеральных удобрений, что в конечном итоге оказывает влияние на себестоимость получаемого урожая и конечной прибыли хозяйств [1, 2, 12, 13, 15].
Для более эффективного действия твердых органических удобрений необходимо осуществить правильное их приготовление. Основным сырьем для приготовления таких удобрений является навоз. Наряду с
