CC BY
51
УДК 631.363 ГРНТИ68.85.39
Петроченко В.В., канд.техн.наук, доцент; Якименко А.В., канд.техн.наук, доцент; Курков Ю.Б., д-р техн. наук, профессор, ФГБОУ ВО Дальневосточный ГАУ, г. Благовещенск, Амурская область, Россия E-mail: [email protected]
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДАВЛЕНИЯ НА ПРЕССУЕМУЮ МАССУ НА УЧАСТКЕ ФОРМУЮЩЕЙ ШНЕКОВОГО ГРАНУЛЯТОРА
В статье обосновано использование процесса прессования кормосмесей с целью сохранения в них питательных веществ при хранении и улучшения усвоения основных элементов корма организмом животного. Приведена конструкция и принцип работы шнекового пресса-гранулятора кормовых смесей, шнек которого снабжен многозаход-ной частью, для облегчения движения прессуемой массы в формующей головке. Определены математические зависимости для определения сил, действующих на прессуемую массу на участке формующей головки и давления, создаваемого ею. Производство гранулированных кормов на шнековых прессах является энергоемким процессом. Главным образом это связано со значительными силами сопротивления движению прессуемого кормового материала, а также необходимостью предварительного разогрева пресса перед работой. Для облегчения движения кормового материала, снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности гранулятора необходимо создать дополнительную движущую силу в зоне наибольшего давления, которое образуется в формующей головке. Для этой цели в конструкцию пресса введена вращающаяся втулка, имеющая многозаходную винтовую часть, расположенная внутри формующей головки, и являющаяся продолжением шнека. Формующая головка разделена на четыре участка согласно геометрическим особенностям ее конструкции. В данной статье рассмотрен участок, на котором многозаходная винтовая часть втулки переходит в гладкую цилиндрическую. Для того, чтобы определить производительность гранулятора, мощность, затрачиваемую на процесс прессования, и другие параметры, необходимо определить, воздействию каких сил подвергается кормовой материал, движущийся в формующей головке. В данной статье рассмотрим участок L3. Глубина винтового канала здесь уменьшается до нуля и происходит окончательное уплотнение кормового материала. Приведен подробный расчет сил, действующих на прессуемую массу, находящуюся в этом участке, необходимых для расчета сопротивления движению кормового материала, создаваемого формующей головкой. Для снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности шнековых пресс-грануляторов в их конструкциях целесообразно использовать прессующие шнеки с многозаходной частью, создающие дополнительную движущую силу в зоне наибольшего давления.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ГРАНУЛЯТОР, ШНЕК, ФОРМУЮЩАЯ ГОЛОВКА, ПРЕССОВАНИЕ, ФИЛЬЕРА, КОРМОВАЯ СМЕСЬ, СТЕБЕЛЬНЫЕ КОРМА, СИЛА, ДАВЛЕНИЕ
UDC 631.363
Petrochenko V.V., Cand.Tech.Sci., Associate Professor; Yakimenko A.V., Cand.Tech.Sci., Associate Professor; Kurkov Yu.B., Dr Tech.Sci, Professor, Far Eastern State Agricultural University, Blagoveshhensk, Amur region, Russia, E-mail: [email protected]
THEORETICAL STUDIES ON DETERMINATION OF PRESSURE EXERTED ON THE COMPRESSED SUBSTANCE IN THE FORMING HEAD SEGMENT OF SCREW PELLETIZER
The article substantiates the use of pressing of fodder mixtures for the purpose of conserving their nutrients during storage and improving animal's digestion of main elements offodder. We presented the design and operation principle of fodder screw pelletizer having a screw with multithread unit to facilitate the movement of compressed substance in the forming head, determined mathematical dependencies for calculation of forces acting on the compressed substance in the segment offorming head and the pressure created by the head. The pelleted feed production with the use of expellers is an energy-intensive process. On the whole it is connected with considerable drag forces of the compressed feed material, and also with the need of preliminary heating of the expeller before operation. In order to facilitate the movement of feed material, to decrease energy-intensiveness of the process and enhance efficiency of pelletizer it is necessary to make additional driving force in the forming head's zone of maximal pressure. For this purpose the expeller's design is provided with rotary bush which has multithread screw unit, located inside of the forming head, and it is the continuation of the screw. The forming head is divided into four segments in accordance with geometrical features of its design. This article considers the segment in which the multithread screw part of the bush turns into plain cylinder form. In order to determine pelletizer capacity, pressing power and other parameters it is necessary to find out the forces which influence the feed material moving in the forming head. This article takes the segment L3 into consideration. The depth of the screw channel reduces to null here and the consolidation of the feed material is finished. The authors presented detailed calculation of forces acting on the compressed substance in this segment which is necessary to calculate drag force of the compressed feed material created by the forming head. In order to reduce energy-intensiveness of the process and to increase the efficiency of screw pelletizers it is reasonable to use propelling worms with multithread unit creating additional driving force in the zone of maximal pressure.
KEYWORDS: PELLETIZER, SCREW (WORM), FORMING HEAD, PRESSING, DRAW PLATE (DIE), FOODER MIXTURE
Одним из наиболее важных условий повышения качества кормов является сохранение в них питательных веществ и улучшение усвоения основных элементов корма организмом животного. Исследованиями установлено [1, 2], что сохранению питательных веществ и повышению усвоения их организмом животного способствует приготовление прессованных кор-мосмесей. Посредством прессования значительно снижаются потери питательных веществ стебельных кормов в процессе их
заготовки за счет ускорения процесса сушки после скашивания. При этом повышается доступность основных питательных элементов корма при воздействии на них высокого давления. В тоже время при повышении плотности заготавливаемых брикетов или гранул происходит замедление биохимических и микробиологических процессов в компонентах кормовой смеси при их длительном хранении, что также способствует снижению потерь питательных веществ.
Однако производство гранулированных кормов на шнековых прессах является энергоемким процессом. Главным образом это связано со значительными силами сопротивления движению прессуемого кормового материала (КМ). Для облегчения движения КМ, снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности необходимо создать дополнительную движущую силу в зоне наибольшего давления. Для этой цели в конструкцию прессующего шнека введена многозаходная часть 3 (МЧ) (рис. 1).
Работа шнекового пресс-гранулятора заключается в следующем. Уплотняемый кормовой материал, которым может быть зерно, травяная резка и кормовые смеси, из приемной горловины поступает на прессующий шнек 2, который перемещает материал к неподвижно установленной фильере 4, выполненной в виде полого толстостенного цилиндра с формующими пазами на внутренней поверхности, одновременно перетирая его на ребрах шлицев многозаходной части 3.
Рис. 1. Схема шнекового пресс-гранулятора 1 - корпус; 2 - шнек; 3 - многозаходная часть; 4 - фильера; 5, 6 - гайка
Под воздействием силы сжатия, возникающей из-за сужения витков шнека 2 и сил трения, кормовой материал уплотняется и нагревается, переходя в вязко-пластичное состояние. При этом происходит выделение пара из поверхности прессуемого материала на соприкасающиеся с ним поверхности деталей прессующего устройства, что снижает трение. В таком виде кормовой материал продвигается в пространство, образованное пазами неподвиж-
ной фильеры 4 и винтовыми многозаход-ной части 3, вращающейся внутри фильеры 4, которые способствуют его дальнейшему продвижению и измельчению. Там он окончательно разогревается, пластифицируется, истирается и сжимается. В зоне гладкой части фильеры формирование монолитов заканчивается, и они выходят из пазов, теряя влагу, выделяющуюся из них в виде пара.
Для того чтобы определить производительность пресс-гранулятора, его потребляемую мощность и другие параметры, необходимо определить, воздействию каких сил подвергается кормовой материал, движущийся в формующей головке.
В данной статье рассмотрим участок Ьз. Глубина винтового канала здесь уменьшается до нуля и происходит окончательное уплотнение кормового материала. Стоит уточнить, что если винтовой канал наклонен относительно оси вращения шнека под углом а, то он будет длиннее отрезка СБ (Ьз). Это необходимо учесть в расчетах.
Ьвк3 = Ьз/еоя а (1)
Аналогично определится длина элементарного объема КМ, находящегося в винтовом канале
ёхвк = дх/ео$ а (2)
Так как длина участка Ьз сравнительно мала, то изменение силы трения и касательного давления на его протяжении будет незначительным и зависимостью их от длины участка можно пренебречь. Существенным здесь будет изменение этих величин по длине участка от геометрических параметров. В связи с этим разложим касательное давление на две составляющие: постоянную, обусловленную давлением упора в начале участке Ь4 и переменную, зависимую от геометрии формующих каналов. Определим первую из них.
qв = Руп, (3)
где Руп в - давление упора в конце участка Ьз, Па; £ - коэффициент бокового распора;
Вторая составляющая будет зависеть
от площади поперечного сечения КМ, которая складывается из площадей торца ВК
и торцов, перекрываемых ею пазов. Геометрические параметры пазов на данном участке остаются постоянными (рис. 2).
а б
Рис. 2. Геометрия третьего участка:
а - профиль винтового канала и паза (обозначены только контуры полостей); б - поперечный разрез формующей головки в начале участка L3
Рассмотрим, как меняется площадь торца ВК от координаты х.
Sтор вк(х) = [п (R2-r(х)2)-(R-r(х))•bл•m]/m, (4)
где Я - радиус вала втулки в начале участка Ьз, м; Г(х)- радиус вала втулки в плоскости сечения, замеренный на расстоянии х от конца участка, м; Ьл - толщина винтовой лопасти в поперечном сечении, м; т - количество винтовых каналов.
г(х) = (5)
где у - угол конусности вала втулки (угол наклона дна ВК).
Из-за уменьшения площади поперечного сечения ВК возникает радиальное давление сжатия:
Б '(^Б тор вк + ^ п)
Чсж( х)
О I с
^тор вк (х) ^тор п П
(6)
где SD тор вк - площадь торца ВК в конце
^3,
участка Ьз, м2; п - количество пазов, перекрываемых одним винтовым каналом; Sтор вк и Sтор п - площади торцевых поверхностей кормовой массы в винтовом канале и пазу соответственно, м2.
Поскольку длина дуги окружности вала втулки, приходящаяся на винтовую лопасть мала, а значит, сопоставима с прямой линией, то для удобства расчета dS'вк(х) можно использовать ширину сечения лопасти Ьл в плоскости перпендикулярной оси шнека,
2п•х,, -ш-Ь
Х(х)
вк(х)
дх. (8)
ш
Отсюда
хс
тр в^3 - |(Чсж(х) + ЧБ >/км-м
2пГ(*)-тЬл дх, (9)
ш
где хс - значение координаты х в точке С, м.
Сила трения о стенку ВК находится с учетом условия (2):
'вк(х) = Ьвк(х) • ёхвк ,
(10)
где Ивк(х) - глубина ВК, зависимая от координаты х, м.
Ивк(х) = х ^у .
(11)
Найдем силу трения КМ о дно ВК:
dF'тр вк(х) = (Цсж (х) + q D)•dS'вк(х)/км-м, (7)
где dS'вк(х) - площадь соприкосновения элементарного объема КМ с дном ВК, зависимая от координаты х, м2; /м-м - коэффициент трения кормового материала по металлу.
тр вкЬЭ
х) + Чи ) • /м-м • Ьвк(х) • дхвк . (12)
Из-за коэффициента бокового распора £ боковое касательное давление не равно радиальному,
Цбок(х) Цсж(х)'£.
(13)
0
х
0
Определим силы трения в пазу.
тр п(х) = ^сж(х) +qD) Ьп •/км-м ^х, (14) где Ьп - ширина паза, м.
хс
^ тр пL3 - |(Ясж(х) В )-Ь п ■/'км -м ,
(15)
о
тр п(х) (Ябок(х) •И п •/км-м^ ёх, (16)
где Ип - высота паза, м.
хс
Р"тр.пЬ3 = |(Ябок(х) + ЯВ п '/км-м & . (17) 0
Сила трения КМ в ВК о КМ в пазах:
хс
Ртр км-кмЬ3 = | (я сж (х) + Яб) х 0
х иЯ вк - К Бкм-кмЬЗ ' ^км-км ' 08)
где иивк - длина дуги окружности, приходящаяся на один ВК, взятая по наружному радиусу многозаходной части, м;
Кйкм-кмьз - коэффициент снижения площади соприкосновения КМ в ВК с КМ в пазу на данном участке.
Коэффициент снижения площади в общем виде можно найти по формуле
К км—км Зкм-км/Звк,
(19)
где Зт-*м - фактическая площадь соприкосновения КМ в одном ВК с КМ в перекрываемых им пазах, м2; Звк - площадь наружной поверхности КМ в ВК, взятая по дуге окружности радиусом Я (рис. 2 б), м2.
Зкм-км [З-г •Бшл-(т •Звл-Зм-м)]/т, (20)
где З - площадь поверхности сопряжения втулки и фильеры, м2; Зшл - площадь поверхности выступа шлица, м2; г - количество пазов в фильере; Звл - площадь наружной поверхности винтовой лопасти, м2; Зм-м - суммарная площадь соприкосновения винтовых лопа-стеи с выступами шлицов, м2.
Площади, входящие в состав коэффициента Кзкм-км, зависят от длины участка, при этом следует иметь в виду, что при
вращении втулки они не остаются постоянными.
Сила трения КМ в ВК о выступы шлицов
хс
Ртр км - шлL3 = |(я сж (х) + чб)-х
0 ,
х иЯ вк ' К8км-шлL3 ' ^км-м^ (21)
где Кйкм-шльз - коэффициент снижения площади соприкосновения КМ в ВК с выступами шлицов на данном участке, в общем виде он находится по формуле
Кз км-шл Зкм-Шл/Звк, (22)
где Зкм-шл - фактическая площадь соприкосновения КМ в одном ВК с выступами шлицов,
м2.
Зк
[З-гЗп-(тЗвл-Зм-м)]/т, (23)
где Зп - площадь поверхности КМ в пазу, взятая по дуге окружности радиусом Я, м2 (рис. 2, б).
Силой трения внешней поверхности винтовой лопасти о КМ в пазу пренебрегаем из-за малой площади их контакта.
Найдем давление упора в ВК (Руп вкс) и пазу (Руп пс) в начале участка Ьз. Причем в винтовом канале давление упора будет складываться не только из сил трения, но и из реакции наклонной поверхности дна канала. При этом сила трения о дно ВК раскладывается на две составляющие: горизонтальную, действующую в осевом направлении, и вертикальную, совпадающую с направлением действия касательного давления сжатия (рис. 3).
Рис. 3. Силы сопротивления движению КМ, вызванные изменением геометрических параметров на участке Ьз:
Nqсж - реакция дна ВК на давление сжатия; N - нормальная реакция дна ВК; Ыуп - осевая реакция, вызывающая усилие упора
Руп вкС \ <Лсж (х) + qD + F' тр BKL3 ■ sinV /STop вк C>tgy dx + 0
F'tp BKL3 ■ cos¥ + 2 ■ F''TP BKL3
с
STop вкС
(24)
где S,
тор вк С
- площадь торца ВК в начале
участка L3, м2.
Руп пС = (FnL3 + 2 F1'п L3)/Smop пС, (25)
где Smop пс - площадь торца паза в начале участка L3, м2
Наличие движущей силы, создаваемой винтовыми каналами, уменьшает сопротивление передвижению массы. С учетом этого фактическое сопротивление движению кормового материала, создаваемое формующей головкой в начале участка L3, определится:
Руп вкСф Руп вкС - Fde eKL3/Smop вк , (26)
Руп пСф Руп пС - Fde riL^^rnop п , (27)
Fde skL3 и Fde mL3 определятся из следующих выражений:
Бдв вк = Бтр км-шл-СО8(90-а) + км-км cos(90-a+P) + Брез-со8(90-а), (28)
Бдв п = [Ртр км-км -sin в + Брез- cos(90-a)]/n, (29)
где Бтр км-шл - сила трения КМ о выступы шлицов, Н; Бтр км-км - сила трения КМ в винтовом канале о КМ в пазах, Н; Брез - сила сопротивления от срезания волокон и частиц зерен в пластичной массе на границе кромки винтового канала и кромки паза, Н (если угол между кромкой паза и ВК больше угла защемления, Брез способствует движению КМ); а - угол наклона винтового канала многозаходной части относительно оси шнека; в - угол наклона вектора силы трения КМ в ВК о КМ в пазу относительно плоскости вращения шнека.
Выводы:
1. Использование процесса прессования кормосмесей способствует повышению качества кормов и сохранению в них питательных веществ при хранении.
2. Для снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности шнековых пресс-грануляторов в их конструкциях целесообразно использовать прессующие шнеки с многозаходной частью, создающие дополнительную движущую силу в зоне наибольшего давления.
3. Получены выражения для расчета сопротивления движению кормового материала, создаваемого формующей головкой на участке перехода многозаходной части шнека в гладкую.
x
Список литературы
1. Технологии и машины для заготовки кормов из трав и силосных культур /А.В. Короткевич [и др.]. - Киев: Урожай, 1991. - 383 с.
2. Курков, Ю.Б. Повышение эффективности процессов приготовления и раздачи высокобелковых полнорационных кормовых смесей крупному рогатому скоту (монография) /Ю.Б. Курков. -Благовещенск: ДальГАУ, 2005. - 172 с.
3. Петроченко, В.В. Обоснование параметров шнекового пресса/ В.В. Петроченко, А.В. Якименко // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ. - Благовещенск: ДальГАУ, 2005. - Вып. 11. - С. 145-149.
Reference
1. Tekhnologii i mashiny dlya zagotovki kormov iz trav i silosnykh kul'tur (Technologies and Machines for Laying-In Fodder of Grass and Silage Crops), A.V. Korotkevich [i dr.], Kiev: Urozhai, 1991, 383 p.
2. Kurkov, Yu.B. Povyshenie effektivnosti protsessov prigotovleniya i razdachi vysokobelkovykh polnoratsionnykh kormovykh smesei krupnomu rogatomu skotu (monografiya) (Enhancing of Efficiency of the Process of Preparing and Distributing of Complete Fodder Mixtures for Cattle (Monograph), Yu.B. Kurkov, Blagoveshhensk, Dal'GAU, 2005,172 p.
3. Petrochenko, V.V. Obosnovanie parametrov shnekovogo pressa (Substantiation of the Parameters of Expeller), V.V. Petrochenko, A.V. Yakimenko / Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya tekhnologicheskikh protsessov v sel'skokhozyaistvennom proizvodstve, sb. nauch. tr. Dal'GAU, Blagoveshhensk, Dal'GAU, 2005, Vyp. 11, PP. 145-149.
