CC BY
47
УДК 631.363 (031) С.Н. Воякин, А.Н. Вишневский, С.М. Доценко, В.А. Широков
ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА И ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССИОННОЙ КАМЕРЫ СМЕСИТЕЛЯ-ГРАНУЛЯТОРА КОРМОВ
В статье представлена разработка конструкции смесителя-гранулятора высокобелковых кормов с использованием соевого компонента, которая содержит компрессионную камеру, а также получена математическая модель оценки процесса приготовления высокобелковых кормовых смесей.
Ключевые слова: компрессионная камера, смеситель-гранулятор, соевый компонент, высокобелковая кормовая смесь.
S.N. Voyakin, A.N. Vishnevskiy, S.M. Dotsenko, V.A. Shirokov
THE COMPRESSIVE CHAMBER PROCESS AND PARAMETER SUBSTANTIATION OF THE FORAGE MIXER-GRANULATOR
The design development of the high-protein forage mixer-granulator with the soy component use that contains the compressive chamber is presented in the article; the assessment mathematical model of the high-protein forage mixture preparation process is received.
Key words: compressive chamber, mixer-granulator, soy component, high-protein forage mixture.
Введение. Как показывает анализ литературных источников, а также практика, и в настоящее время актуальным направлением в производстве высокобелковых кормовых смесей остается получение продуктов в их гранулированной форме. При этом основным показателем качества гранул является показатель, характеризующий их крошимость [1].
Как установлено ранее проведенными исследованиями [2], одним из основных факторов, влияющих на показатель крошимости высокобелковых гранул, является наличие воздушных пор в «теле» влажных гранул.
Цель работы. Обоснование процесса уплотнения и параметров компрессионной камеры смесителя-гранулятора высокобелковых кормовых продуктов.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
1) получить аналитические выражения, характеризующие параметры процесса уплотнения кормовых продуктов в компрессионной камере смесителя-гранулятора;
2) экспериментальным путем, на основе математического моделирования, определить оптимальные значения параметров указанного процесса.
Методы исследования. Плотность влажных гранул определяли косвенным путем на приборе, разработанном Украинским НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (УНИИМЭСХ) [3]. Крошимость сушеных гранул определяли по относительному содержанию разрушенных гранул согласно ГОСТ 18691-73 [1].
Для повышения качества гранул, на наш взгляд, необходимо удалить воздух из продукта путем его уплотнения в камере смесителя-гранулятора.
С этой целью авторами статьи разработана конструкция смесителя - гранулятора высокобелковых кормов с использованием соевого компонента, который содержит компрессионную камеру 4 (рис. 1).
Мясокостный (МКФ) или рыбокостный Необезжиренная (РКФ) фарш соевая мука (НСО)
Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема смесителя-гранулятора с компрессионной камерой: 1 - бункера; 2 - корпус смесителя; 3 - винт; 4 - компрессионная камера; 5 - гранулятор;
6 - винт гранулятора; 7 - лоток для влажных гранул
Результаты исследования. Анализом данного процесса установлено, что изменение формы продукта, попадающего из смесителя в компрессионную камеру, связано с деформацией его состояния (рис. 2).
Рис. 2. Схема к определению давления в компрессионной камере и ее параметров
Абсолютное приращение объема спрессованного продукта определяется в соответствии с принципом объемной деформации [4] разностью \
АУ = dx^dy^dz^ £x^^+ £у^4,+ dx• dy• dz 1 (1)
АУ = dx^ dy• dz^ ^ (2)
или
где Ех, £у, - относительное сжатие по осям.
Тогда для относительного изменения объема продукта в компрессионной камере можно записать, что оно равно сумме линейных деформаций по трем осям
АУ
е
V
V
= £ +£ +£
х у г,
ах °У
х ц- — -/и- 2
(3)
(4)
Е Е
где [Л - коэффициент Пуассона;
Е - модуль упругости первого рода;
V - объем компрессионной камеры.
Такие же выражения получаются и для £у и £2. В итоге имеем
Е
Те хн и к а
Е
1
b
и-
' + (7
У г
є = — ■ |г — ц-{т + а
У Я. У г* 'ч Z х
1
Sz~ Е
\
+ (7
ж X у .
>
(5)
Сложение левых и правых частей этих равенств дает выражение для объемной деформации продукта в компрессионной камере смесителя-гранулятора
AV 1-2-и ---= е =-----—
V v Е
(71 + <Т2 + СГ3
Примем, что
при
аЇ + (72 + сг3 = ©
(б)
(7)
(8)
где 4 - коэффициент бокового распора; Р - давление. Тогда
0= 1 + 2-4 р Р = е/ 1 + 2-4
(9)
(10)
С учетом выражения (6) имеем, что
*v=-
І-2-jU -0
Е
(11)
С учетом выражения (9)
откуда
AV
V
Р =
= ev =
1-2-ц Е
A V-E
(12)
(13)
Данное выражение характеризует взаимосвязь между давлением в компрессионной камере смесите-ля-гранулятора Р, ее объемом V, а также структурно-механическим показателем (модулем Юнга) бинарной композиции на основе соевого компонента.
Параметры компрессионной камеры смесителя-гранулятора определили используя следующий методический подход.
1
Согласно обобщенной теореме взаимности работ [4], для схемы, представленной на рисунке 2, можно записать.
Рис. 3. Схема к обоснованию конструктивных параметров компрессионной камеры
смесителя-гранулятора
F• АН = Р- АУ.
(14)
где Р - сила, приводящая к изменению объема;
АН - изменение расстояния в уплотняемом продукте под действием давления Р.
При этом изменение расстояния под действием давления Р можно определить через начальную и конечную пористость бинарной композиции Ун и Ук
АН = АЬ-п = Нп
( \ Ун-Гк
V
1 + Ун
(15)
У
где П - число уплотненных порций кормового продукта, равное Б ; Ьв - длина ков винта.
Соответственно, изменение объема АУ определим как
винта;
шаг вит-
АУ =
Р Н0• 1-2 // Р■ АИ-Ьв (1-2-/л)
Е
Е-Б
(16)
Приравнивая правые части выражений (15) и (16) и решая полученное равенство относительно Р, имеем аналитическую зависимость, характеризующую процесс уплотнения с учетом начальной и конечной пористости высокобелковых бинарных композиций
Р = Е
( \ Ун-Гк
V
1 + Ун
(17)
у
Приравнивая правые части выражений (13) и (17) и решая полученное равенство относительно параметра V, имеем
Плотность кормового продукта в компрессионной камере после удаления «пор» определили согласно зависимости
Анализ выражения (22) показывает, что приращение плотности прессуемого продукта в компрессионной камере смесителя-гранулятора зависит от структурно-механических и упругих свойств уплотняемого продукта.
В результате эксперимента, проведенного на этом устройстве, получены данные, после математической обработки которых были построены математические модели оценки процесса получения высокобелковых кормовых смесей.
Для оценки плотности получаемых влажных гранул на выходе из гранулятора математическая модель имеет следующий вид:
У =
АУ
С
(18)
V
7" 7к ■ 1-г-ц 2 ■ 1+2-40 1+г„)
Для компрессионной камеры цилиндрической формы имеем, что
(19)
где Дк - диаметр камеры; Ьк - длина камеры.
Совместное решение уравнений (18) и (19) относительно параметра Дк дает выражение, характеризующее связь между конструктивными параметрами и пористостью бинарных композиций
4АУ
(20)
Рк=Ро+к'Р
(21)
где к - эмпирический коэффициент, имеющий размерность, с2/м2; Р - давление на продукт. С учетом выражения (13) можно записать, что
АУЕк
(22)
рк = -2041,8 + 324,4 • сос + 19,228 • + 65,369 • 1К - 0,361 ■ сос ■ сог
-1,500 •сос-1к- 0,075 • сог • /к —13,046 • со* --0,047 • со*г -1,445 • /* -> тах,
где ~ угловые скорости вращения винта смесителя и гранулятора;
сос =9,0 -ь 9,5с-1; сог = 14,0ч- 15,0с-1 ;
^ - длина канала формующей решетки, 1К = 13,6 ч-15,0 мм.
При данных значениях параметров плотность влажных гранул составила рк —1077кг / М3, что
на 21,3 % выше по сравнению с вариантом без использования компрессионной камеры.
Сушка гранул данной плотности в сушильном шкафу «ЭСПИС-4 Универсал» при их начальной влажности Жн =33,04^34%, массовой доле необезжиренной соевой муки, равной
Мд = 48,8 ч-53,6% и температуре сушки ^ ' =109,6 ч-110,4°С показала, что крошимость
сушеных гранул И/ =84-10% находится на уровне 3,0-5,0 %, в соответствии с предъявляемыми требованиями [2].
Выводы
1. На основе принципа объемной деформации выражения и установлен характер взаимосвязей:
- между необходимым давлением, объемом продукта и его структурно-механическими показателями;
- между диаметром компрессионной камеры, ее длиной, начальной и конечной пористостью продукта, а также приращением его объема в камере;
- между плотностью влажных гранул и объемной деформацией продукта с учетом его пористости.
2. На основе полученных математических моделей оценки плотности влажных и крошимости сушеных соево-мясокостных и соево-рыбокостных гранул обоснованы оптимальные значения параметров работы смесителя-гранулятора, снабженного компрессионной камерой.
Литература
1. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. - Л.: Колос, 1978. - 560 с.
2. Рекомендации по разработке технологической линии и технических средств получения высокобелковых гранулированных кормовых смесей для сельскохозяйственных птицы / С.М.Доценко, Л.А. Ковалева, М.А. Зайцева [и др.]. - Благовещенск: Изд-во ДальГАУ, 2007. - 30 с.
3. Кукта Г.М. Машины и оборудование для приготовления кормов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 303 с.
4. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1967. - 552 с.
---------♦-----------
