Substantiation of the design parameters of a screw for the variable pitch of a press extruder in the preparation of a loose sunflower meal

Full Text

Введение Для обеспечения прочной кормовой базы общественного поголовья в Краснодарском крае кроме основных кормов требуется повсеместно использовать отходы сельского хозяйства, в частности отходы подсолнечника [1]. Отходы подсолнечника получают при очистке вороха семян подсолнечника на воздушно-решетных зерноочистительных машинах типа МВУ-1500 (табл. 1), в которых содержатся органическая примесь, а также битые, щуплые и обрушенные семена [2-5]. Данные отходы как раз и используются при откорме сельхозживотных в виде жмыха подсолнечного [6], получаемого на пресс-экструдере типа КМЗ-2 (рис. 1). Проведенный анализ эффективности способов подготовки кормового материала (экструдата) показал, что наибольший практический и научный интерес представляет тепловой способ его обработки к скармливанию [7]. Проведенные исследования В.В. Новикова установили, 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. По результатам проведенных теоретических исследований было установлено, что шнек должен быть с переменным уменьшающимся шагом (рис. 1) по мере передвижения вдоль его оси обрабатываемого кормового материала (ОКМ), происходит уплотнение и принимает форму в соответствии с требованиями к процессу [7]. Непостоянство физико-механических свойств смеси, поступающей на экструдирование, вызывает колебание давления внутри пресс-экструдера, и поэтому процесс нестабилен, получаемый продукт имеет неоднородный состав и свойства, и, как следствие, повышенную энергоемкость [8-10]. Цель исследования Целью исследования является уменьшение энергоемкости экструдирования отходов семян подсолнечника при получении подсолнечного жмыха в рассыпном виде на основе планирования многофакторного эксперимента. Материал и методика исследования На начальном этапе рассмотрим конструктивные параметры шнека переменного шага пресс-экструдера типа КМЗ-2 для получения подсолнечного жмыха в рассыпном виде. Для этого определим угол конусности шнека (рис. 1) в зависимости от его диаметра и длины по выражению, полученному в работе И.Е. Припорова [10]: где dн, dк - начальный и конечный диаметр шнека переменного шага, соответственно, м; - коэффициент пропорциональности, a > 1; b - шаг витка шнека переменного шага, м; N - число оборотов шнека переменного шага; z - количество витков шнека переменного шага по длине вала; ∆b - ширина витка шнека переменного шага в нормальном сечении, м. Шаг витка определяется по выражению [10]: где ti - шаг i-х витков, м. При повороте шнека переменного шага на угол ϕ = 360N шаг витка будет: . На следующем этапе с целью оптимизации его конструктивных параметров проведем многофакторный эксперимент Бокса-Бенкина (Вк), представленный в работе [11]. Перед началом эксперимента факторы кодировали, осуществляя линейное преобразование факторного пространства с переносом начала координат в центр эксперимента и введением новых единиц измерения ε по осям. Кодирование факторов, а также определение натурального значения интервала их варьирования производились по известным формулам. На основании проведенного обзора литературных источников, а также теоретических исследований и научно-технической информации были выбраны факторы варьирования для расчета плотности рассыпного подсолнечного жмыха, полученного после обработки семян на пресс-экструдере КМЗ-2 (табл. 2). В литературных источниках приводится общее значение плотности подсолнечного жмыха, при этом значение ее величины в рассыпном виде отсутствует. Для проведения планирования эксперимента была разработана программа, позволяющая рассчитать коэффициенты регрессии полученной математической модели. Результаты исследования После проведения опыта, расчета коэффициентов регрессии по составленной программе было получено уравнение регрессии, описывающая плотность подсолнечного жмыха в рассыпном виде (кг/м3): (1) Анализ уравнения (1) показывает, что наибольшее влияние на плотность рассыпного подсолнечного жмыха при обработке семян в пресс-экструдере КМЗ-2 оказывают угол конусности шнека, шаг витка шнека 2-й навивки и, в меньшей степени, 1-й навивки, в том числе парное взаимодействие между углом конусности и шагом витка шнека 1-й навивки. Провели исследование однородности дисперсий полученных откликов опыта по критерию Кохрена, значение которого составило Gтеор = 0,2092. Полученное теоретическое значение критерия Кохрена сравнивали с табличным Gтабл = 0,3067 при числе степеней свободы f1 = 6 и f2 = 9. Поскольку теоретическое значение критерия Кохрена меньше табличного, то дисперсии откликов опыта однородны. Адекватность полученной математической модели была проверена с помощью критерия Фишера. Табличное значение критерия Фишера при 5%-м уровне значимости и числе степеней свободы f1 = 6, f2 = 5 и F0,05 = 5,0. Критерий Фишера при расчетах составил Fрасч = 3,67, то есть адекватность математической модели подтверждена. Для нахождения максимума функции отклика приравняем к нулю ее частные производные и решим полученную систему уравнений [12]. Подставив полученные результаты кодированных значений (x1 = -0,103; x2 = 0,01; x3 = -0,115) в уравнение (1), определим максимальное значение плотности рассыпного подсолнечного жмыха, полученного из семян после обработки на пресс-экструдере КМЗ-2, которое составило ys = 2139,4 кг/м3. По результатам обработки многофакторного эксперимента для плотности рассыпного подсолнечного жмыха были получены следующие уравнения регрессии в канонической форме для угла конусности шнека и шага витка шнека 2-й навивки, угла конусности шнека и шаг витка шнека 2-й навивки и шага витка шнека 2-й навивки и шага витка шнека 1-й навивки, соответственно, представленные на рис. 2: , , . Выводы 1. На получение подсолнечного жмыха в рассыпном виде в пресс-экструдере КМЗ-2 влияют угол конусности шнека, шаг витка шнека 2-й навивки и, в меньшей степени, 1-й навивки, в том числе парное взаимодействие между углом конусности и шагом витка шнека 1-й навивки. 2. По результатам проведенного трехфакторного эксперимента были определены оптимальные конструктивные параметры шнека переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2, которые имеют следующие значения: угол конусности составляет 30°, шаг витка шнека 2-й навивки - 28 мм, шаг витка шнека 1-й навивки - 36 мм, позволяющие получить рассыпной подсолнечный жмых плотностью 2139,4 кг/м3 и уменьшить энергоемкость экструдирования отходов семян подсолнечника. Таблица ١ Основные показатели качества сортирования семян подсолнечника сорта Лакомка на серийной воздушно-решетной семяочистительной машине МВУ-١٥٠٠ Показатель Выход фракции, ٪ Семян основной культуры, ٪ Отход, % Масса ١٠٠٠ семян, г всего в том числе обрушенных всего в том числе органические примеси битые щуплые Исходный материал 92,01 1,2 7,99 6,39 0,49 1,11 90,2 1 аспирационный канал 4,6 51,05 - 49,95 49,61 0,05 0,29 2 аспирационный канал 1,9 79,98 0,02 20,02 19,74 0,04 0,24 Сход с верхнего стана решета 0,8 85,04 - 14,96 14,95 0,01 - Подсев верхнего стана решета 5,8 56,41 1,04 43,59 28,99 0,18 14,42 Подсев нижнего стана решета 3,2 78,52 0,95 21,48 19,21 0,07 2,20 Основной выход 83,7 97,61 1,29 2,39 1,83 0,41 0,15 102,8 Рис. 1. Шнек переменного шага пресс-экструдера КМЗ-2 [4] Таблица ٢ Матрица планирования эксперимента для определения плотности рассыпного подсолнечного жмыха № опыта Факторы Критерий оптимизации, ys, кг/м3 угол конусности шнека (х1) шаг витка шнека 2-й навивки (х2) шаг витка шнека 1-й навивки (х3) уровень значение (α), град. уровень значение (t2), мм уровень значение (t1), мм 1 +1 40 +1 36 +1 48 1800 2 +1 40 +1 36 -1 24 1960 3 -1 20 +1 36 +1 48 2110 4 -1 20 +1 36 -1 24 1890 5 +1 40 -1 20 +1 48 1850 6 +1 40 -1 20 -1 24 1950 7 -1 20 -1 20 +1 48 2120 8 -1 20 -1 20 -1 24 1840 9 0 30 0 28 +1 48 2250 10 0 30 0 28 -1 24 2280 11 +1 40 0 28 0 36 1900 12 -1 20 0 28 0 36 2000 13 0 30 +1 36 0 36 2020 14 0 30 -1 20 0 36 2010 Рис. 2. Двумерные сечения поверхностей зависимости плотности рассыпного подсолнечного жмыха в зависимости от: а - угла конусности и шаг витка шнека 2-й навивки; б - угла конусности и шаг витка шнека 1-й навивки; в - шага витка шнека 2-й и 1-й навивки

About the authors

I. E Priporov

Kuban State Agrarian University named after Ivan Trubilin

Email: ya.krip10@ya.ru
PhD in Engineering

V. S Kurasov

Kuban State Agrarian University named after Ivan Trubilin

Email: ya.krip10@ya.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files