Оптимизация режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса для производства гранулированных кормов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса для производства гранулированных кормов

Е.А. Ладыгин

Донской государственный аграрный университет, Персиановский,
Российская Федерация

Цель исследования - оптимизация режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса при плунжерном воздействии зубьев колеса-матрицы на материал. Методика исследования основана на планировании и реализации двухфакторного эксперимента. В качестве изменяемых факторов в эксперименте приняты частота вращения колеса-матрицы и коэффициент высоты головки зуба. Для осуществления эксперимента принят трехуровневый план для двух факторов. В качестве критериев оптимизации были приняты производительность пресса, качество гранул (крошимость) и энергоемкость процесса. В результате проведения эксперимента и обработки опытных данных были получены математические модели для производительности пресса, крошимости гранул и энергоемкости процесса. Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение высоты зубьев способствует росту производительности пресса и уменьшению энергоемкости, но одновременно увеличивает крошимость гранул; по мере увеличения частоты вращения зубчатых колес производительность пресса также растет, а энергоемкость процесса производства гранул падает; минимизировать крошимость гранул можно путем уменьшения высоты зубьев и частоты вращения зубчатых колес. По результатам производственной проверки, одноматричный гранулятор внешнего зацепления с диаметром делительной окружности матрицы 480 мм и расположенными между зубьями 40 каналами прессования сечением 12?20 мм способен производить до 73 кг/ч гранул с крошимостью не более 5 % при числе оборотов матрицы 68 об/мин и коэффициенте высоты головки зуба 0,6 модуля. Уровень энергоемкости процесса гранулирования кормов с помощью такого шестеренного устройства составил ? 10 кВт·ч/т, что почти в три раза ниже, чем у кольцевых промышленных устройств прокатывающего типа.

Ключевые слова: шестеренный пресс, головка зуба, колесо-матрица, прессующее колесо, производительность, крошимость гранул, энергоемкость, оптимизация.

The aim of the research is to optimize operation regime and the parameters of a single-matrix gear press under piston impact of the teeth of matrix-wheel on material. Exploratory procedure bases on planning and realization of two-variable experiment. Variable factors were rotation frequency of matrix-wheel and coefficient of a tooth addendum. To carry out the experiment three-level plan for two factors was adopted. Press productivity, quality of granules (granule crumbling), and power-intensity of the process were optimization criteria. The experiment results and data processing enabled to get mathematical models for press productivity, quality of granules (granule crumbling), and power-intensity of the process. Analysis of obtained relations has shown that increasing of tooth addendum facilitates for enhancing press productivity and decreasing power-intensity, but simultaneously increasing granule crumbling. While the rotation frequency of the gear wheel grows press productivity grows as well, and power-intensity of the process declines. Granule crumbling can be minimized by decreasing tooth addendum and rotation frequency of gear wheels. Industrial inspection results of the single-matrix granulator of externally toothed with pitch diameter of matrix 480 mm and 40 pressing canals section of 12?20 mm placed between gear teeth can provide up to 73 kg per hour granules with the crumbling less than 5 % at matrix speed of 68 revolutions per minute and coefficient of tooth addendum 0.6 of modulus. The level of power-intensity for the process of forage granulating by such a gear device was about 10 kWh per ton, which is three times less than for industrial annular press of roll type.

Keywords: gear press, addendum, matrix-wheel, pressing wheel, productivity, granule crumbling, power-intensity, optimization.

Шестеренный одноматричный пресс (рисунок 1) формирует гранулы в отверстиях матричных каналов большого колеса-матрицы при вхождении в них зубьев малого прессующего колеса.

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 (автор фото Е А. Ладыгин)

пресс крошимость гранула корм

Изучению рабочего процесса шестеренного, в т. ч. одноматричного, пресса был посвящен ряд работ [1-8]. Во время предыдущего эксперимента по оценке влияния некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного пресса на качество гранул из растительных материалов [1] было установлено, что рабочий орган шестеренного пресса в установленном диапазоне высоты головки зуба прессующего колеса реализует процесс сжатия корма по двум принципиально разным 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.

При полнопрофильной головке зуба гранула формируется из больших порций [4]. 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 поверхности зуба. Плечо действия силы сжатия равно радиусу начальной окружности зубчатого колеса.

Дальнейшие экспериментальные исследования необходимо переместить в зону наименьшей энергоемкости. Следовательно, дальнейший эксперимент надо провести в диапазоне коэффициента высоты головки зуба , т. е. при плунжерном воздействии зубчатого колеса на корм. 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.

В связи с этим цель данного исследования заключалась в оптимизации режима работы и параметров шестеренного одноматричного пресса при плунжерном воздействии зубьев колеса-матрицы на материал.

Методика исследования основана на планировании и реализации двухфакторного эксперимента [9].

В качестве изменяемых факторов в эксперименте приняты частота вращения колеса-матрицы и коэффициент высоты головки зуба.

Для осуществления эксперимента принят трехуровневый план для двух факторов.

План эксперимента представлен в таблице 1.

Таблица 1 - План эксперимента

Диапазон варьирования факторов представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Варьирование факторов в эксперименте

В качестве критериев оптимизации были выбраны производительность пресса, качество гранул (крошимость) и энергоемкость процесса.

Крошимость гранул определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 23513-79 «Брикеты и гранулы кормовые. Технические условия». Согласно стандарту, крошимость кормовых гранул не должна превышать 10 %.

В результате реализации эксперимента и обработки опытных данных по методике двухфакторного планирования [9] получена функция отклика на критерии оптимизации в следующем виде:

Затем производились проверка на адекватность и оценка дисперсии воспроизводимости опытов в эксперименте. В завершение строились поверхности откликов для наглядного представления влияния факторов на критерий оптимизации и выбора рационального режима работы.

Работа гранулятора оценивалась по трем критериям: по производительности (количественный критерий), по крошимости полученных гранул (качественный критерий) и энергоемкости.

План и результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Таблица 3 - План и результаты двухфакторного эксперимента

В результате проведения эксперимента и обработки опытных данных были получены математические модели для производительности пресса, крошимости гранул и энергоемкости процесса:

,

,

,

где - производительность пресса, кг/ч;

- высота зуба, мм;

- частота вращения зубчатых колес, об/мин;

- крошимость гранул, %;

- энергоемкость процесса производства гранул, кВт·ч/т.

Анализ поверхности отклика, характеризующей производительность пресса, дает основания рекомендовать с целью увеличения производительности высоту головки зуба 0,6 модуля и частоту вращения 68 об/мин (рисунок 2).

Рисунок 2 - Поверхность отклика, характеризующая производительность

Анализируя поверхность отклика, характеризующую крошимость, можно рекомендовать высоту головки зуба 0,2 модуля и частоту вращения 40 об/мин (рисунок 3).

Рисунок 3 - Поверхность отклика, характеризующая крошимость

Анализ поверхности отклика на рисунке 4 дает основания рекомендовать с целью снижения энергоемкости частоту вращения матрицы 68 об/мин и коэффициент высоты головки зуба 0,6 модуля.

Рисунок 4 - Поверхность отклика, характеризующая энергоемкость

Анализ полученных зависимостей позволил сделать следующие общие выводы:

- увеличение высоты зубьев способствует росту производительности пресса и уменьшению энергоемкости, но одновременно увеличивает крошимость гранул;

- по мере увеличения частоты вращения зубчатых колес производительность пресса растет, а энергоемкость процесса производства гранул падает;

- минимизировать крошимость гранул можно путем уменьшения высоты зубьев и частоты вращения зубчатых колес.

Для определения оптимальных параметров прессующего колеса и режимов работы гранулятора с целью увеличения производительности и получения качественных гранул решалась компромиссная задача, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5 - Компромиссная задача производительности пресса, энергоемкости процесса и крошимости гранул

По результатам производственной проверки, одноматричный гранулятор внешнего зацепления с диаметром делительной окружности матрицы 480 мм и расположенными между зубьями 40 каналами прессования сечением 12?20 мм способен производить до 73 кг/ч гранул с крошимостью не более 5 % при числе оборотов матрицы 68 об/мин и коэффициенте высоты головки зуба 0,6 модуля. Уровень энергоемкости процесса гранулирования кормов с помощью такого шестеренного устройства составил около 10 кВт·ч/т, что почти в три раза ниже, чем у кольцевых промышленных устройств прокатывающего типа.

Принципы порционного гранулирования кормов можно осуществить в прессах шестеренного типа. Созданное на основе шестеренных грануляторов оборудование позволяет увеличить эффективность использования большего количества зерноотходов, отходов подсолнечника и других пригодных для кормовых целей культур.

Список использованных источников

1 Ладыгин, Е. А. Оптимизация конструктивных и технологических параметров одноматричного шестеренного пресса [Электронный ресурс] / Е. А. Ладыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. - № 4(08). - 10 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=131&id=144.

2 Ладыгин, Е. А. К минимизации энергоемкости одноматричного шестеренного пресса / Е. А. Ладыгин, Ю. А. Симакин // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». - Вып. 47. - Новочеркасск: «Геликон», 2012. - С. 31-36.

3 Симакин, Ю. А. Оценка влияния некоторых конструктивных и технологических параметров одноматричного пресса на качество гранул [Электронный ресурс] / Ю. А. Симакин, Е. А. Ладыгин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013. - № 1(09). - 9 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=153&id=163.

4 Щербина, В. И. Шестеренные грануляторы / В. И. Щербина, С. В. Щербина. - Ростов н/Д.: «Терра», 2002. - 120 с.

5 Ладыгин, Е. А.Технология и пресс для гранулирования кормолекарственных смесей: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Ладыгин Евгений Александрович. - Зерноград, 1992. - 15 с.

6 Щербина, В. И. Деформация корма в процессе гранулирования / В. И. Щербина. - Ростов н/Д.: «Терра», 2002. - 104 с.

7 Симакин, Ю. А. Исследование процесса брикетирования кормов зубчатым рабочим органом: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Симакин Ю. А. - Зерноград, 1977. - 28 с.

8 Зорин, А. Ф. Влияние диаметра зубчатых колес на интенсивность процесса сжатия / А. Ф. Зорин, В. И. Щербина, С. В. Тарасенко // Совершенствование процессов и технических средств в АПК / Азово-Черноморская гос. агроинж. акад. - Вып. 3. - Зерноград, 2001.- С. 152-155.

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

Размещено на Allbest.ru