Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Гаврилов, Николай Владимирович

• Гаврилов, Николай Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаврилов, Николай Владимирович

Введение.

1. Общее состояние вопроса.

1.1. Классификация и виды кормов, необходимость приготовления кормов.

1.1.1. Использование кормов в рационе.

1.2. Способы приготовления кормов.

1.3. Классификация и анализ устройств для приготовления кормов.

1.4. Анализ исследований по прессованию кормов.

1.4.1. Обзор исследований по определению физико-механических свойств кормов.

1.4.2. Анализ исследований по истечению жидкостей через насадки.

1.4.3. Анализ методов определения качества экструдирования.

Выводы по обзору, постановка цели и задач исследований.

2. Теоретические исследования процесса экструдирования

2.1. Теоретические предпосылки.

2.2. Анализ теоретических исследований по экструзионной обработке кормов.

2.3. Движение потока энергии и материального потока внутри экструдера.

2.4. Исследования параметров экструдера.

3. Программа и методика экспериментальных исследований

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Частная методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Определение вязкости кормосмеси.

3.2.2. Методика проведения исследований по определению физико-механических свойств кормосмеси.

3.2.3. Методика определения качества экструдата.

3.2.3.1. Методика определения крошимости экструдата.

3.2.3.2. Методика определения содержания крахмала.

3.2.3.3. Методика определения количества декстринов.

3.3. Общая методика экспериментальных исследований.

3.3.1. Методика проведения сравнительных экспериментов.

3.3.2.Методика проведения оптимизационных экспериментов

4. Обработка и анализ экспериментальных исследований.

4.1. Результаты по частной методике.

4.2. Результаты сравнительных экспериментов.

4.3. Результаты оптимизационных экспериментов.

4.4. Сопоставление результатов сравнительных и оптимизационных экспериментов.

4.5. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований.

4.6. Определение коэффициента трения и сдвиговых напряжений

4.7. Результаты определения качества экструдата.

5. Технико-экономические показатели работы экструдера.

5.1. Производственная проверка.

5.2. Экономическая эффективность исследуемого экструдера.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси»

Интенсивное развитие животноводства, повышение его продуктивности осуществляется путём создания прочной кормовой базы. Одним из решающих условий ускорения темпов роста животноводческой продукции, повышения её качества и снижения себестоимости является создание машин и технологий повышающих эффективность кормоприготовления.

Укрепление кормовой базы должно идти путем ускорения научно - технического прогресса, интенсификации полевого и лугового кормопроизводства, внедрения высокоэффективных технологий выращивания, уборки, переработки и хранения кормов.

Доля малоценных кормов, в качестве отходов полеводства, в рационе животных вместо кормов с естественных угодий в зоне Северного Казахстана возрастает, так как после уборки зерновых культур на полях скапливается большое количество соломы. Для её использования в рационе животных необходимо оборудование, влияющее на изменение состава, например уменьшения доли непереваримой клетчатки, а также обогащения концентрированными кормами, биологически активными добавками и так далее. Это возможно с применением экструдирования - оно позволяет соединить в технологическом процессе разные виды кормов, создать однородную, сбалансированную, удобную при кормлении массу. Температура до 200°С и давление до 25МПа при экструзионной переработке позволяют снизить негативные факторы: микрооб-семенённость бактериями, гнилостные включения и другое. Экструдеры по производству продуктов из агросырья, на основе зерновых предназначены как для технологии варочной экструзии, когда температура превышает 100°С так и для получения продуктов методами тепловой (70.90°С) и холодной (до 40°С) экструзии. При экструдировании с давлением сжатия ЮМПа в экструдере возникают большие силы сдвига, благодаря чему появляется возможность формовать необходимую структуру из белков растительного происхождения, что невозможно в условиях традиционной технологии тепловой обработки.[1] Однако экструдирование - очень энергоёмкий процесс. Поэтому повышение производительности экструзионной техники, уменьшение энергоемкости является актуальной задачей.

Наиболее перспективное конструктивное решение - одношнековый, одно-заходный экструдер, отличающийся простотой конструкции, надёжностью, эффективностью. Тем не менее в его совершенствовании также есть существенные резервы.

В результате анализа конструкций одношнековых экструдеров нами была разработана рабочая гипотеза о возможности повышения эффективности экс-трудирования за счёт изменения винтовой поверхности шнека (торец винта изготовлен со скосом в направлении фильер). Кроме того, отношение длины фильер к диаметру должно быть равно трём — четырём. Таким образом, целью исследования является повышение эффективности экструдирования кормов путём совершенствования конструкции экструдера. Объектом исследования является процесс экструдирования кормов. Научная новизна в работе: определены закономерности изменения процесса экструдирования при переработке кормосмеси, получены аналитические зависимости производительности и энергоёмкости от конструктивно-режимных параметров (частоты вращения винта, зазора между корпусом и винтом, угла скоса винтовой поверхности, отношения длины фильер к диаметру); разработан комплексный оценочный показатель эффективности экструдирования; определены коэффициенты трения и сдвига, а также качественные показатели экструдирования. Практическую ценность представляет конструкция экструдера с обоснованными в работе винтовой поверхностью шнека, длиной фильер и его режимными параметрами.

Результаты исследований внедрены в хозяйстве "ОПХ Заречное" Костанай-ской области Республики Казахстан. Общие положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях, в том числе и международной, в Оренбургском государственном аграрном университете (г. Оренбург, Российская Федерация, 2003 — 2004 год), на ежегодных научных конференциях, в том числе посвященной 50-ти летию освоения целинных и залежных земель, где была отмечена грамотой, в Костанайском государственном университете (г. Костанай, Республика Казахстан, 2001 - 2004). По материалам диссертации опубликовано шесть работ, получено положительное заключение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2003/ 1620.1 от 27.11.03 ./97/). Данная работа выполнена в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ "Совершенствование машин для кормоприготовле-ния".

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включая список литературы из 98 наименований, 43 рисунка, 12 таблиц и шести приложений.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Гаврилов, Николай Владимирович

Выводы:

1. Анализ исследований, посвященных экструдерам, позволил установить возможные пути повышения эффективности работы экструдера: совершенствование конструкции и оптимизацию режима его работы. В результате проведённой классификации экструдеров выявлено наиболее перспективное конструктивное решение: экструдер с однозаходным винтом. В соответствии с этим разработана новая конструкция экструдера.

2. Разработан комплексный оценочный показатель эффективности работы экструдера, который даёт возможность объективно оценить результат работы экструдера и установить связь между затратами мощности на экструдирование, производительностью и качеством получаемого экструдата.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено влияние выбранных факторов (частоты вращения, количества воды в кормосмеси, отношения длины фильер к сумме диаметров отверстий, количества соломы в кормосмеси, угла скоса винтовой поверхности) на эффективность экструдирования. Установлены оптимальные конструктивно-режимные параметры экструдера: частота вращения винта 60 об/мин.; количество воды в кормосмеси 0,46JI, отношение длины фильеры к сумме диаметров отверстий 2,34; состав кормосмеси 33% соломы, 33% отрубей, 33% зерноотходов; угол скоса винтовой поверхности 5°.

4. В результате исследований установлена зависимость коэффициента трения и касательного напряжения от физико-механических свойств кормосмеси. Для кормосмеси-монорациона, состоящего из 33% соломы, 33% зерноотходов, 33% отрубей коэффициент трения составляет 0,6, касательное напряжение 1,2кПа.

5. Использование частных методов исследования позволили установить: возможность повышения эффективности уплотнения кормов винтовыми конструкциями, изменение их граничных условий; реологическое состояние материала; химические изменения в процессе переработки - экструдировании.

6. Экспериментальными исследованиями была установлена крошимость экструдата, а также его химическое изменение - количество крахмала и декстринов. Крошимость экструдата не превышает 1,5% от стандартных испытаний, количество декстринов возросло на 32%, что обеспечивает лучшую поедаемость корма и увеличивает его переваримость животными.

7. Экономический эффект от применения предлагаемого экструдера составит 127 рублей на тонну экструдируемого корма, срок окупаемости от его применения в серийной технологической линии составит 1,4 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаврилов, Николай Владимирович, 2005 год

1. Полищук В. Ю., Короткое В. Г., Зубкова Т. М. Проектирование экструде-ров для отраслей АПК. Екатеринбург 2003. — 200с.

2. Венедиктов A.M. и другие. Кормление сельскохозяйственных животных. Справочник. М. Росагропромиздат.1988 323 с.

3. Завражнов А.И., Николаев Д.И. Механизация приготовления и хранения кормов. М. ВО Агропромиздат 1990 303 с.

4. Козлов А.С., Широв Ю.П. Сборник научных трудов. Новое в технологии приготовлении и скармливании кормов животным. Алма ата 1993 с. 56-60.

5. Семенякин В.И. и другие. Перспективы использования соломы. Кормопроизводство. 1987 №5 — с. 31.

6. Зубрилин А.А., Мишустин Е.Н. О силосе и способах силосования кукурузы и других культур. М. 1962 с. 162

7. Резник Е.И., Добрянцов Н. К. Переработка грубых кормов. Сельский механизатор. 1983 №2 с. 20 - 22.

8. Нагорный В.Т. и другие. Корма в брикетах и гранулах. Алма ата Кайнар 1988-е. 164

9. Курманов А.К. и другие. Сборник научных трудов. Приготовление соломы зерновых культур. Алма ата 1993 — с. 65

10. Федосеев В.Б., Егоров В.Г., Мурадханян Л.К. Механизация уборки и подготовки соломы к скармливанию. Московский рабочий 1983 с. 5.

11. Зафрен С. Я. Как повысить питательную ценность соломы. М. Колос 1983— с. 101.

12. Стейнифорд А. Р. Солома злаковых культур. М. Колос 1983 с. 25 - 28

13. Рыжов С.В. Механизация переработки соломы на корм. М. Колос 1983 -с. 5-7.

14. Гноевой В.И., Филатов С.И. К теории физической и химической обработки соломы. Вестник с. х. науки 1980 №2 с. 109 - 114.

15. Никитин В.М. Лигнины. М. Госхимиздат 1961 с. 142 - 159.

16. Бурмистрова М.Ф., Комалькова Т.К. и другие. Физико-механические свойства с. х. растений. М. Сельхозиздат 1956 с. 105.

17. Фрей Вислинг. Мюлотоллор А. Ультраструктура растительной клетки. М. Мир 1968-с. 140-177.

18. Зерновые, зернобобовые и масличные культуры. М. Издательство стандартов. 1990-214 с.

19. Мотовилов К. Я. и другие. Экспертиза кормов и кормовых добавок. Пособие. Новосибирск. Сибунивериздат 2004 240 с.

20. Миончинский П. Н., Кожарова А.С. Производство комбикормов. М. Колос 1981 -с. 10-14.

21. Савин Д.К. и другие. Механизация кормоприготовления. Алма ата 1970 -с. 5-19.

22. Кукта Г. М. Технология переработки и приготовления кормов. М. Колос 1978-236 с.

23. Шаршунов В. А. Механизация кормоприготовления. МЭСХ №9 1999 — с. 12.

24. Алёшкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. М. Агропром-издат 1985-с. 27.

25. Кулаковский И. В., Кирпичников Ф. С., Резник Е. И. Машины и оборудование для приготовления кормов. М. Россельхозиздат 1987 — с. 39

26. Боярский Л. Г. Производство и использование полнорационных кормовых смесей. М. Колос 1976 с. 27.

27. Острецов В. Н. Обоснование, разработка и исследование технологии брикетирования методом запекания. Автореферат диссертации к. т. н. Л. 1980 -с. 18.

28. Алимов Т. К., Шекалева Н. А. Современные термо-баро и химические способы обработки соломы. Сельское хозяйство за рубежом 1976 №3 — с. 33-35.

29. Резник Е. И. Перспективы технологии и установки для обработки соломы щёлочью за рубежом. Тракторы и сельхозмашины. 1980 №8 — с. 36 — 68.

30. Богданов Г. Н., Бугаёв А.Г., Шевченко Н.Г. Повышение питательности соломы используемой в составе соломенно-зерновых полнорационных смесей. Научно-технический бюллетень НИИ животноводства лесостепи и полесья УССР 1975 выпуск 13 - с. 16 - 19.

31. Шевченко Н. А. Использование соломенно-зерновых смесей при откорме крупного рогатого скота. Животноводство 1975 №1 с. 45 —47.

32. Передня В. И. Механизация приготовления кормосмесей. Минск Урожай 1982-с. 86.

33. Зельнер В. Р., Коноплёв Е. Г. Приготовление и использование полнорационных кормов в промышленном животноводстве. ВНИИТЭИСХ, М. 1972.

34. Шестерня В. Е. Электротехнологические методы обработки кормов. Сборник научных трудов. Бел СХА. Горки. 1983 выпуск 100 — с. 23 — 27.

35. Жушман А. И., Карпов В. Г., Коптёлова Е.К. . Новое в технике и технологии производства пищевых продуктов экструзионным методом. М. 1991 -38 с.

36. Материалы экспозиции фирмы "Де Смитке" (Дания), на международной выставке. Сельхозтехника 78. М. 1978. 25с.

37. Жушман А. И. и другие. Изменение свойств и структуры кукурузных крахмалов и муки при экструзионной обработке. М. Сахарная промышленность 1985 №3 с. 39 - 42.

38. Мельников С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л. Колос 1978-320 с.

39. Белянчиков Н. Н., Смирнов А. И. Механизация животноводства и кормо-приготовления. М. ВО Агропромиздат 1990 с. 189 - 195.

40. Широв Ю. П. Разработка и обоснование технологического процесса экструдирования ощелочённой соломы. Автореферат диссертации к. т. н. Челябинск 1991 — с. 2.

41. Новые аспекты применения конических экструдеров в пищевой промышленности. Проспекты фирм "CINCINATI", "MI LACPON" Австрия 1990 с. 10. Новые экструдеры. Проспект фирмы "Walter Maschinen Bau" Ф.Р.Г. 1989-с. 5.

42. Экструдеры для пищевой промышленности. Проспект фирмы "Mapipianti" Италия 1990 с. 4.

43. Американская техника и промышленность. Сборник рекламных материалов. 1975 ВО Внешторгреклама с. 86, 87. Экструдеры. Проспект фирмы "Buchler MIAG" С.Ш.А. 1990 - с. 7.

44. Jamada Т, Suzuki К и другие. GPC-profile change of potati starches with extrusion processing. Starke. 1990 №6. c. 217 - 223.

45. Olett A. L., Parner R., Miles M. J., Mortis W. J. Microsructural changes during the TWIN-SCREW exstrusion cooking of maize grits. Carbohydrat polimers. -1990. N1. c. 69-84.

46. Aoe S., Nakaoka M. Ido K., Tamai J., Ohta F. Availcebility of dietary fiber in extrudet wheat bran and apparent digestibilliti in rants of coexisting mitrens. Sereal chem. 1989. №4. - c. 252 - 255.

47. Asp N. G. Nutritional Aspects What Happens to the different materials at Different Temperatures. Extrusion Technology for the Food Industry. Под редакцией С. O'Connor. London and New York. Elsevier Applied science. — 1987. c. 16-22.

48. New products of extrusion. Food Engineering International. 1988. №7, №13. -c.49-50, 53-54.

49. Extrusion machines use to step. Process chiltons. Food Engineering International. 1988 №6. - c. 54 - 55.

50. Гаврилов H. В., Курманов А. К. К обоснованию совершенствования конструкции экструдера. Известия №2 г. Оренбург 2004 — с. 47

51. Гаврилов Н. В., Курманов А. К. К анализу процессов уплотнения материалов. Вестник науки №4 Костанай 2003 с.42.

52. Дерягин Б. В. Природа молекулярных сил и их значение в науке и практике. М. 1956-с. 59-77.

53. Особов В. И. Анализ процесса уплотнения растительных материалов шне-ковым прессом. Научные труды ВИСХОМ. М. 1969 с. 263 - 277.

54. Особов В. И. Теоретические и экспериментальные исследования процесса брикетирования сена. Научные труды ВИСХОМ. М. 1962 выпуск 39 -с. 113 118.

55. Булынко М. Г., Иванов В. Н. Брикетирование торфа. М. Госэнергоиздат 1962-с. 63-65.

56. Пакулев Б. Н. О технологии кормоприготовления за рубежом. Овцеводство 1975 №10- с. 37-40.

57. Симакин Ю. М. О сцеплении частиц в кормовых брикетах. Совершенствование кормовой базы Ростовской области. Сборник трудов Донского СХИ. Персиановка 1982 - с. 35 - 40.

58. Кормщиков П. А. Поточная технология кальцинированной соломы. Сельское хозяйство России. 1975 №11 с. 21 -30.

59. Кормщиков П. А. Кальцинирование соломы. М. Россельхозиздат 1974 — с. 134.

60. Елпатьевский Д. В. Химическая обработка и консервирование грубых кормов. Саратов 1968-с. 88 102.

61. Гнездилов Ю. Н. Исследования шнековой камеры для прессования соломы при комбайновой уборке. Автореферат диссертации к. т. н. М. 1957 с. 16.

62. Особов В. И. Машины для брикетирования растительных материалов. М. Машиностроение 1969 с. 59 — 69.

63. Игнатьевский Н. Ф. Анализ энергетики шнекового брикетировщика. Сборник научных трудов ЛСХИ. Л. 1980. т. 391 с. 56 - 59.

64. Бодиловский А. В. Влияние геометрии шнекового механизма на энергоёмкость процесса прессования. Сборник научных трудов ЦНИИМЭСХ. Минск 1980 с. 139-151.

65. Адаменис И. Технология приготовления брикетов и эффективность их использования при откорме К.Р.С. 1976 с. 99 — 101.

66. Доржиев А. В. Определение коэффициента трения движения стебельных кормов. Сборник научных трудов ЧИМЭСХ. Челябинск 1977 638 с.

67. Красников В. В. Коэффициент трения кукурузного силоса о сталь. Труды ВИЭСХ. Электрификация с. х. 1964. Т. 13 с. 116 - 136.

68. Мухин В. А. Определение коэффициента трения движения стебельных кормов. Саратов 1977 —с. 12.

69. Братерский Ф. Д., Пелевин А. Д. Оценка качества сырья и комбикормов. М. Колос 1983-с. 39-44.• 70. Роговой В. Д. Исследования физико-механических свойств соломы озимой пшеницы. Киев 1969 с. 29 - 31.

70. Красников В. В. Краткий справочник по физико-механическим свойствам с. х. грузов. Саратов 1971 с. 81.

71. Бурмистрова М. Ф. и другие. Физико-механические свойства с. х. растений. М. Госиздат с. х. литература 1958 с. 59, 107.

72. Башта Т. М. и другие. Гидравлика, гидромашины и гидропривод. Издательство Машиностроение 1982 — с. 106.

73. Штернлихт Д. В. Гидравлика. Энергоиздат. М. 1984 с. 218

74. Комбикорма. Справочник по качеству сырья и готовой продукции. Алма ата. Кайнар. 1983 - с. 7.

75. Груздев И. Э., Мирзоев Р. Г., Янков В. И. Теория шнековых устройств. JL издательство Ленинградский университет. 1978 — с. 3 — 65.

76. Карташов Л. П. Полищук В. Ю., Зубкова Т. М. . Моделирование процесса экструдирования в одношнековых прессующих механизмах. Техника в с. х. №6 1998-с. 13.

77. Карташов Л. П., Полищук В. Ю., Зубкова Т. М. Уточнение математической модели экструдирования кормов в одношнековых прессующих механизмах. Техника в с. х. №2 1996 — с. 19.

78. Полищук В. Ю. Особенности шнекового прессующего механизма экструдера. Тракторы и с. х. машины 1993 №5 — с. 19.

79. Широв Ю. П. Результаты исследований технологии химической обработки соломы винтовым прессом. Сборник научных трудов Алма ата 1987 — с. 78 - 84.

80. Перов А. А. Термодинамическая обработка комбикормов в экспантрудере. Механизация, электрификация с. х. №9 2003 с. 9.

81. Антипов С. Т. и другие. Машины и аппараты пищевых производств. М. Высшая школа 2001 с. 642 - 650.

82. Карташов Л. П., Полищук В. Ю. Системный синтез технологических объектов АПК. Екатеринбург: УрО РАН. 1998 185 с.

83. Экспериментальные методы исследований деформаций и напряжений. Справочное пособие. Киев. Наукова думка. 1981 с. 12.

84. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. Исследования параметров экструдера по частной методике. Вестник науки КГУ №2 2004 с. 47.

85. Курманов А. К., Гаврилов Н. В., Хасенов У. Б., Смолякова В. Н. Экспериментальные исследования отдельных конструктивных параметров экструдера. Вестник науки КГУ №2 2004 с. 51.

86. Курманов А. К., Гаврилов Н. В. К уточнению частной методики исследования параметров экструдера. ФГОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет. Часть II 2004 с. 147.

87. Курманов А. К., Курманов А. А., Гаврилов Н. В. Обоснование производительности измельчителя с бункерным питателем. Вестник науки КГУ №2 2003 — с.47.

88. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. М. Высшая школа 1978-с. 116.

89. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М. Машиностроение 1980. София: техника — 310 с.91.3инков Р. JI. Механика насыпных грунтов. М. Машиностроение 1964 -с. 15

90. Дженникс Э. В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. М. Мир 1968- 18 с.

91. Карташов JI. П., Зубкова Т. М. Об оценке качества экструдирования. Техника в с -х. 2002-е. 19.

92. Колотушкина А. П. Ценообразование и технический прогресс в с. х. машиностроении. М. Машиностроение 1976 — с. 165.

93. Информация о ценах на товары и услуги. Челябинск 2002 — с. 216.

94. Информация о ценах на материалы. Челябинск 2003 — с. 65.

95. Курманов А. К., Гаврилов Н.В. Заключение о выдаче патента на изобретение (заявка №2003/1620.1). Устройство для экструдирования грубых кормов. 2 с.

96. Гоберман JI. А. Основы теории, расчёта, проектирования строительных и дорожных машин. М. Машиностроение 1998 с. 39.

97. Yl, Y2, Y3 значение усилия по трём повторностям Yu - среднее значение усилия по перемещению плунжера Yiu - сумма усилиий Yl, Y2, Y3