Оценка влияния некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного пресса на качество гранул

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОМАТРИЧНОГО ПРЕССА НА КАЧЕСТВО ГРАНУЛ

Ю.А. Симакин, Е.А. Ладыгин

(ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»)

Статья посвящена вопросам зависимости качества гранул от некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного шестеренного пресса. В качестве факторов выбраны коэффициент высоты головки зуба, подача прессуемого материала и частота вращения рабочих органов, в качестве критерия оптимизации - крошимость гранул. Приводится краткое описание характеристик гранул, пресса и его рабочего процесса, рисунок прибора для определения крошимости гранул. Цель данного исследования заключалась в определении влияния коэффициента высоты головки зуба, частоты вращения матрицы, подачи прессуемого материала на крошимость гранул. Далее приводятся план и матрица планирования эксперимента, значения факторов на разных уровнях варьирования и экспериментальные значения критерия оптимизации. Затем дается математическая модель крошимости в виде полинома второго порядка, находятся корни полинома, решается система уравнений, строятся поверхности отклика. Завершается статья анализом математической модели и общими выводами по данному исследованию. Крошимость гранул уменьшается по мере снижения значений всех трех факторов, и ее минимальное значение составляет 1,9 %.

Ключевые слова: шестеренный пресс, головка зуба, колесо-матрица, прессующее колесо, гранула, крошимость, подача.

The paper deals with the dependence of granule quality on some constructive and technological parameters of a single matrix gear press. The factors were the coefficient of a tooth addendum, pressing material supply, and the rotation frequency of operative parts. An optimization criterion was the impact resistance of granules. The paper contains a brief description of granule characteristics, of the press and its operation process, as well as the figure of the device for determine the impact resistance of granules. The objective of the study was to determine the influence of the coefficient of a tooth addendum, the rotation frequency of the matrix, and pressing material supply on the impact resistance of granules. Further the plan and matrix of experiment planning, the values of factors for the different levels of variation, and experimental optimization criteria are cited. Mathematical model of the impact resistance of granules as a second-order polynomial are cited, the roots of polynomials are found, the system of equations is solved and the response surface graphs are plotted. At the end of the paper, the analysis of mathematical model and general conclusions of the study are made. The impact resistance of granules is decreased while three factors are decreasing. The minimal impact resistance of granules was 1.9 %.

Keywords: gear press, addendum, wheel-matrix, pressing wheel, granule, impact resistance, supply.

Прессованные корма из различных материалов, таких как травяная мука, комбикорм, дерть, стебли подсолнечника, древесные отходы и другие, имеют целый ряд характеристик: размеры гранул или брикетов, их плотность, прочность, влажность, и т. д. Одной из важнейших характеристик качества прессованных кормов является их крошимость, напрямую связанная с прочностью. Крошимость является основной стандартизованной прочностной характеристикой, причем непосредственно зависимой от исходного состояния материала, давления, затрат энергии на прессование, времени выдержки в прессовальных каналах и др. [1].

Крошимость гранул не должна превышать 10 %, в связи с чем она сдерживает увеличение производительности пресса, т. к. с ростом производительности крошимость также увеличивается за счет уменьшения времени пребывания корма в канале прессования при повышении частоты вращения матрицы и подачи корма [2].

Шестеренный одноматричный пресс (рисунки 1, 2) формирует гранулы в отверстиях матричных каналов большого колеса-матрицы при вхождении в них зубьев малого прессующего колеса [3]. При этом крошимость гранул зависит не только от конструктивных параметров рабочих органов, в данном случае - высоты головки зубьев колеса-матрицы и прессующего колеса, но и технологических факторов, а именно от подачи прессуемого материала и частоты вращения рабочих органов (колеса-матрицы и прессующего колеса).

В связи с этим цель данного исследования заключалась в определении влияния коэффициента высоты головки зуба, частоты вращения рабочих органов, подачи прессуемого материала на крошимость гранул. Колесо-матрица имеет 48 зубьев с модулем 8 мм, во впадинах которого расположены радиальные каналы прямоугольного сечения. У малого прессующего колеса 14 зубьев того же модуля. Угол зацепления стандартный - 20°.

1 - рама; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - дозатор кормов; 5 - бункер; 6 - колесо-матрица; 7 - прессующее колесо

Рисунок 1 - Общий вид гранулятора с большим колесом-матрицей и малым прессующим колесом

прессованный корм крошимость гранула

S - площадь фигуры под зубом в момент образования закрытой камеры, заполненная кормом, б - угол образования закрытой камеры

Рисунок 2 - Схема одноматричного пресса

Для реализации эксперимента был принят план Бокса-Бенкина для трех факторов на трех уровнях варьирования [1]. Все необходимые данные по эксперименту представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Матрица планирования эксперимента, значения факторов и результаты эксперимента

Крошимость в эксперименте определялась по стандартной методике на приборе ППГ-2 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Прибор для определения крошимости ППГ-2

Прибор представляет собой коробку в виде параллелепипеда размерами 300Ч300Ч125 мм. По диагонали на одной из больших стенок укреплена пластина (225Ч50 мм) в качестве стабилизатора. В коробку загружается навеска чистых гранул массой 0,5 кг и вращается в течение 10 минут с частотой вращения 50 мин^-1. После этого масса просеивается через сито с отверстиями диаметром 0,8 диаметра гранулы; полученный остаток взвешивается. Крошимость () определяется по формуле:

, (1),

где - масса гранул после просеивания, кг;

- масса гранул до испытания, кг.

В результате проведения эксперимента и обработки опытных данных была получена зависимость для определения крошимости гранул:

(2)

где - крошимость гранул, %;

- высота зуба, мм;

- частота вращения зубчатых колес, об./мин.;

- подача прессуемого материала, кг/ч.

Затем необходимо было найти значения корней полинома. Для этого находились частные производные функции (2), и решалась система уравнений [1]:

. (3)

Решение системы уравнений позволило получить следующие значения факторов, влияющих на крошимость гранул: = - 5,337; = 2,668; = - 6,386.

Следующий этап работы заключался в построении поверхностей отклика для наглядного представления влияния факторов на крошимость, который осуществлялся при помощи компьютерной программы Microsoft Excel 2003. В уравнение (2) подставлялись значения факторов, полученных при решении системы уравнений частных производных (3), при этом значение одного фактора было зафиксировано, а два других варьировали от + 1 до - 1 (рисунки 4-6).

Рисунок 4 - Поверхность отклика, характеризующая крошимость при среднем значении коэффициента высоты головки зуба

Рисунок 5 - Поверхность отклика, характеризующая крошимость гранул при средней частоте вращения матрицы

Рисунок 6 - Поверхность отклика, характеризующая крошимость гранул при средней подаче материала

Анализ поверхностей отклика (рисунки 4-6) позволяет рекомендовать с целью минимизации крошимости гранул следующие значения факторов: высота головки зуба - 0,2 модуля, частота вращения - 20 об./мин., подача - 60 кг/ч.

Раскодированное уравнение выглядит следующим образом:

где - крошимость гранул, %;

- коэффициент высоты головки зуба, мм;

- частота вращения матрицы, об./мин.;

- подача материала, кг/ч.

Крошимость гранул с ростом производительности увеличивается, так как уменьшается время пребывания корма в канале прессования при повышении частоты вращения матрицы и подачи корма.

Порог допустимой крошимости гранул (10 %) практически соответствует подаче материала более 70 кг/ч, частоте вращения матрицы больше 24 об./мин. и высоте головки зуба . Крошимость гранул в области равна 5-6 %, что указывает на наличие резерва по производительности.

Выводы

1. Рабочий орган шестеренного пресса в установленном диапазоне высоты головки зуба прессующего колеса реализует процесс сжатия корма по двум принципиальным воздействиям. В области малой высоты головки зуба осуществляется плунжерное воздействие на корм, поэтому гранула формируется небольшими порциями и с большой выдержкой сжатого корма в канале прессования. Получается небольшое количество гранул с большой прочностью. Энергоемкость процесса наименьшая.

2. При полнопрофильной головке зуба гранула формируется из больших порций. Производительность гранулятора наибольшая, но крошимость гранул превышает стандартный уровень. Энергоемкость процесса гранулирования большая из-за значительного радиуса действия сжимающей силы. Гранула формируется при воздействии на корм боковой поверхностью зуба. Плечо действия силы сжатия равно радиусу начальной окружности зубчатого колеса.

3. Дальнейшие экспериментальные исследования необходимо переместить в зону наименьшей энергоемкости. Следовательно, дальнейший эксперимент надо провести в диапазоне коэффициента высоты головки зуба 0,2-0,4. Так как крошимость гранул составляет 5-6 %, есть возможность увеличить частоту вращения матрицы до 40-60 об./мин. и тем самым способствовать увеличению производительности гранулятора.

Список использованных источников

1. Мельников, В.С. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / В. С. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.

2. Щербина, В. И. Деформация корма в процессе гранулирования / В. И. Щербина. - Ростов н/Д: Тера, 2002. - 104 с.

3. Щербина, В. И. Шестеренные грануляторы / В.И. Щербина, С. В. Щербина. - Ростов н/Д: Тера, 2002. - 120 с.

Размещено на Allbest.ru