Substantiation of rational design parameters of variable pitch screw of an extruder


Cite item

Full Text

Abstract

The analysis of effectiveness of methods of feed material (extrudate) preparation for feeding showed that the thermal method of its processing with the use of the KMZ-2 extruder is of most practical and academic interest. The studies carried out by V.V. Novikov showed that in the process of its formation the extrudate moves throughout the length of working chamber in the space between the screw flights and the inner surface of body, due to this the obtained mixture is heated and compacted. Based on the theoretical researches carried out by V.Yu. Frolov, it was found that the screw should have a variable pitch gradually decreasing with the movement of the processed feed material along its axis. During its movement the processed feed material is compacted and reaches the condition that allows to take the required shape in accordance with process requirements. Determination of rational parameters of variable pitch screw of extruder in areas for loading and pressing is a very important task on both practical and theoretical grounds. The aim of the article is to determine the rational design parameters of variable pitch screw of extruder in areas for loading and pressing of processed feed material on the basis of sunflower cake. At the initial stage, the design parameters of variable pitch screw of extruder in the area for loading of processed feed material were considered. At the next stage, the process of its compaction and compressing by means of screw was considered. As a result of theoretical researches of variable pitch screw of the KMZ-2 extruder, it was found that the density increasing of the processed feed material on the basis of sunflower cake is proportional to the decreasing of pitch of screw flight. The density of processed feed material depends on its physical and mechanical properties.

Full Text

Введение Анализ эффективности способов подготовки к скармливанию кормового материала (экструдата) показал, что наибольший практический и научный интерес представляет тепловой способ обработки [1], для которого используется пресс-экструдер КМЗ-2 (рис. 1). Исследования В.В. Новикова [1, 2] позволили установить, что в процессе образования экструдата происходит его перемещение по всей длине рабочей камеры, образованной пространством между витками шнека и внутренней поверхностью корпуса, за счет чего получаемая смесь нагревается и уплотняется. На основании теоретических исследований В.Ю. Фролова [3] установлено, что шнек должен иметь переменный шаг (см. рис. 1), уменьшающийся по мере продвижения вдоль его оси обрабатываемого кормового материала (ОКМ). По мере перемещения вдоль оси шнека ОКМ уплотняется и доходит до состояния, позволяющего принимать необходимую форму в соответствии с требованиями к процессу. Анализ технологического процесса пресс-экструдера, проведенный А.А. Курочкиным и В.В. Новиковым [5], показал, что шнек служит как для перемещения обрабатываемого сырья, так и для его уплотнения. В связи с этим он обычно включает несколько ступеней, каждая из которых имеет свое назначение. Например, в экструдерах типа КМЗ-2 первая из трех ступеней шнека предназначена для работы в зоне загрузки, где продолжается интенсивное перемешивание (после дозирующего механизма) и перемещение частиц обрабатываемого сырья вдоль оси шнека, а также начинается их уплотнение. Цель исследования Определение рациональных параметров шнека переменного шага в зонах загрузки и прессования пресс-экструдера представляет весьма важную задачу как с теоретической, так и с практической точки зрения [5]. В связи с этим цель исследования состоит в определении рациональных конструкционных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера в зонах загрузки и прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха. Определение рациональных параметров шнека На начальном этапе рассмотрим конструкционные параметры шнека переменного шага пресс-экструдера в зоне загрузки ОКМ на основе подсолнечного жмыха. Для этого определим угол конусности шнека переменного шага (см. рис. 1, 2) в зависимости от его диаметра и длины по выражению: где dн, dк - начальный и конечный диаметры шнека, м; Lш - длина шнека, м. Длина шнека определяется по выражению [1]: где tN - шаг витка шнека при числе оборотов N, м; z - количество витков шнека по длине вала; ∆b - ширина витка шнека в нормальном сечении, м. Подставим в выражение (1): где N - число оборотов шнека; - коэффициент пропорциональности, a > 1; b - шаг витка шнека, м. С учетом выражения (2) угол конусности шнека: Из полученного выражения следует, что угол конусности шнека переменного шага пресс-экструдера прямо пропорционален его диаметрам и обратно пропорционален его длине. Из рис. 2 очевидно, что величина уменьшения диаметра шнека переменного шага: где d1 - диаметр шнека в конце отрезка при t = a, м. При повороте шнека на один оборот (360°) его диаметр в конце отрезка составит при повороте на два оборота (720°) от первоначального положения при повороте на три оборота (1080°) от первоначального положения При повороте шнека переменного шага на угол его диаметр На следующем этапе рассмотрим процесс уплотнения-прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха шнеком переменного шага пресс-экструдера. Для этого определим закон сжатия [1] ОКМ на основе подсолнечного жмыха [6] шнеком переменного шага пресс-экструдера в зоне прессования. Получаемый из семян подсолнечный жмых поступает в пресс-экструдер выровненным по физико-механическим свойствам. Семена подсолнечника имеют определенные толщину, ширину и индивидуальную массу [7], получаемые в результате сортирования на зерноочистительных машинах типа МВУ-1500 [8, 9] и универсальных семяочистительных комплексах [10, 11]. В их состав входит не только зерноочистительное оборудование, но и фотоэлектронные сепараторы [12], работающие по бесфракционной и фракционной технологиям [13]. Согласно условию непрерывности потока определим плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха в зоне прессования [1]: где ρ0, ρ - плотности слоя ОКМ на начальном и конечном этапах, достигнутые при деформации, кг/м3; - скорости движения слоя ОКМ на начальном и конечном этапах по оси шнека переменного шага, м/с; S0, S - площади ОКМ на начальном и конечном этапах, м2. Относительное приращение плотности слоя ОКМ рассчитаем по формуле [14]: Объем уплотненного ОКМ (см. рис. 2) в начале и конце шнека переменного шага: где δ0, δ - толщина прессуемого ОКМ на начальном и конечном этапах прессования, м. Подставим выражения (4) и (5) в (3), преобразуем и окончательно получим плотность ОКМ в зоне прессования: Анализ уравнения (6) показывает, что плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха в зоне прессования зависит от его физико-механических свойств. Основное уравнение прессования ОКМ, представленное в степенной форме, имеет вид [15]: Выразив из уравнения (6) относительное приращение плотности и приравняв левую часть к выражению (7), получим давление ОКМ в зоне прессования: Обозначим с = Р0, так как используется единица измерения МПа [15]. Тогда выражение (8) окончательно примет вид: Анализ выражения (9) показывает, что давление в зоне прессования ОКМ на основе подсолнечного жмыха зависит от его физико-механических свойств. Масса ОКМ, получаемая в результате сжатия: При перемещении ОКМ на путь, равный шагу витка шнека, уменьшение его массы при повороте на 360° составит: Учитывая, что , при повороте шнека переменного шага на один оборот относительное уплотнение ОКМ: При повороте шнека на два оборота (720°) с учетом При повороте шнека на три оборота (1080°) с учетом При поворота шнека переменного шага относительное уплотнение ОКМ: Формула (10) выражает относительное уплотнение ОКМ на основе подсолнечного жмыха при повороте шнека переменного шага на угол . На основе непрерывности потока где , - плотности ОКМ при повороте шнека переменного шага на один и два оборота (360 и 720° соответственно), кг/м3. Из выражения (11) очевидно, что: Заключение В результате теоретических исследований шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2 установлено, что увеличение плотности ОКМ на основе подсолнечного жмыха происходит пропорционально уменьшению шага его витка (выражение (12)). Плотность ОКМ на основе подсолнечного жмыха зависит от его физико-механических свойств.
×

About the authors

I. E Priporov

I.T. Trubilin Kuban State Agrarian University

Email: ya.krip10@ya.ru
PhD in Engineering Krasnodar, Russia

References

  1. Фролов В.Ю. Теоретические и экспериментальные аспекты разработки технологий и технических средств, приготовления концентрированных кормов на основе соевого белка. Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2010. 140 с.
  2. Новиков В.В. Методика расчета пресс-экструдера с «греющими» шайбами // Науч. тр. СИМСХ. Саратов, 1983. Вып. 43. С. 64-68.
  3. Фролов В.Ю. Совершенствование технологий и технических средств приготовления и раздачи высококачественных кормов на малых фермах: Дис. … д-ра техн. наук. Новосибирск, 2002. 302 с.
  4. Остриков А.Н., Василенко В.Н. Экструдирование комбикормов: новые подходы и перспективы // Комбикорма. 2011, №8. С. 39-42.
  5. Курочкин А.А., Новиков В.В. Обоснование рациональных параметров шнека пресс-экструдера в зоне загрузки // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013, №6(10). С. 123-126.
  6. Припоров И.Е. Использование подсолнечного жмыха в рационе крупного рогатого скота // Инновации в сельском хозяйстве. 2015, №5(15). С. 184-187.
  7. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Влияние толщины, ширины и индивидуальной массы семян подсолнечника на скорость их витания // Масличные культуры. Научно-технический бюллетень ВНИИМК. 2010, №1(142-143). С. 76-80.
  8. Припоров И.Е. Механико-технологическое обоснование процесса разделения компонентов вороха семян подсолнечника на воздушно-решетных зерноочистительных машинах. Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2016. 212 с.
  9. Трубилин Е.И., Припоров И.Е. Технические средства для послеуборочной обработки семян подсолнечника: Учеб. пособие. Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2015. 237 с.
  10. Припоров И.Е., Шафоростов В.Д. Технология послеуборочной обработки семян масличных культур // Инновации в сельском хозяйстве. 2014, №5(10). С. 10-14.
  11. Припоров И.Е., Лазебных Д.В. Рациональная технология послеуборочной обработки семян подсолнечника // Научный журнал КубГАУ. 2015, №112. С. 1475-1485.
  12. Припоров И.Е. Обоснование применения оптического фотоэлектронного сепаратора в составе универсального семяочистительного комплекса // Конкурентная способность отечественных гибридов, сортов и технологии возделывания масличных культур: Мат-лы 8-й междунар. конф. молодых ученых и специалистов. Краснодар: ВНИИМК, 2015. С. 138-141.
  13. Припоров И.Е., Садыкова М.А. Усовершенствование работы фотоэлектронного сепаратора при разделении семян подсолнечника // Научный журнал КубГАУ. 2015, №112. С. 1486-1498.
  14. Федоренко И.Я., Смышляев А.А. Моделирование ударного нагружения слоя кормового материала // Вестник АГАУ. 2015, №5(127). С. 136-141.
  15. Федоренко И.Я. Альтернативная теория прессования кормов // Вестник АГАУ. 2013, №3(101). С. 95-98.

Copyright (c) 2016 Priporov I.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies