Исследование влияния эксцентричной нарезки винта экструдера на его производительность

Введение. Для получения высококачественных кормов широко применяется технология экструзионной переработки. Готовый продукт обладает высокими пищевыми качествами, хорошо переваривается и усваивается организмом животных, имеет высокую степень санитарной безопасности вне зависимости от исходной зараженности сырья грибной и бактериальной микрофлорой, также способен длительное время храниться, не теряя своих свойств [1–4].

На сегодняшний день существуют конструктивные решения по повышению эффективности работы экструдеров путем установки рабочего органа с эксцентриком или эксцентриковой нарезкой лопастей винта, например экструдер для приготовления комбикормов из зерновой смеси (RU №2133102 С1) или экструдер для приготовления кормов (SU №1493240 А1), в которых представлены варианты устройств экструдеров с эксцентриковым рабочим органом [5, 6].

Проведенный анализ научноисследовательской литературы, публикаций последних лет и патентной документации позволил выявить недостаточную разработанность вопроса о влиянии конструктивных параметров эксцентрикового рабочего органа на технологические параметры процесса экструзии, физико-механические свойства готовой продукции. Для эффективного использования эксцентриков в экструзии необходимо определение этих закономерностей. Это обусловило выбор темы и определило направление научного поиска.

Цель исследования. Определение закономерностей влияния эксцентрика винта и часто- ты вращения винта на удельную производительность экструдера.

М етоды и результаты исследования. Ис-с л е дования проводились на лабораторноэкспериментальном экструдере, созданном на кафедре технологии механизации животноводства и инженерной графики Южно-Уральского ГАУ.

Экструдер (рис. 1) состоит из корпуса 1 с загрузочной воронкой 2 , температурной камеры для дополнительного подогрева смеси 3 . Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена с рифлями для увеличения скорости пластификации смеси. Внутри корпуса 1 на приводном валу 4 жестко закреплены участки шнека с подающими лопастями 5 , с прессующими лопастями 7 и эксцентриковый элемент 6 , состоящий из трех участков с эксцентричной нарезкой лопастей. Эксцентриситеты расположены под углом 120º друг к другу. На конце приводного вала 4 установлен наконечник 8 , который выполнен в виде продолжения вала с диаметром равным диаметру вала 4 . Наконечник 8 зажимает участки винта 5 , 6 , 7 на приводном валу 4 . На выходе из корпуса 1 закреплено устройство для выгрузки экструдата, включающее фланец 9 , гайку 10 , подшипниковый узел 11 , подшипник 12 , крышку 13 . На внутренней поверхности фланца 9 нарезана резьба, в которую вкручена гайка 10 . Гайка 10 имеет отверстие, в которое вставлен наконечник 8 , тем самым образован радиальный зазор для выхода экструдата. Зазор между гайкой 10 и наконечником 8 регулируют вращением гайки 10 [7].

Работа экструдера осуществляется следующим образом. Сырье подается в загрузочную воронку 2 и попадает внутрь корпуса 1 , захватывается подающими лопастями 5 и транспортируется на эксцентриковый элемент 6 , где в процессе дальнейшего движения происходит воздействие эксцентрика на сырье. Далее смесь выдавливается прессующими лопастями 7 через зазор между гайкой 10 и наконечником 8 [7].

Установка подшипника в устройство для выгрузки экструдата обеспечивает постоянный зазор между шнеком и корпусом экструдера, что положительно сказывается на качестве экструдата и уменьшает износ деталей экструдера в процессе работы, а также позволяет избежать перегрева подшипника, повышая надежность его работы [7].

Рис. 1. Схема экспериментального экструдера: 1 – корпус; 2 – загрузочная воронка;

3 – температурная камера; 4 – приводной вал; 5 – подающие лопасти; 6 – эксцентриковые лопасти; 7 – прессующие лопасти; 8 – наконечник; 9 – фланец; 10 – гайка; 11 – подшипниковый узел; 12 – подшипник; 13 – крышка; e 1 , e 2 , e 3 – эксцентриситеты нарезки лопастей

Использование нескольких секций винта с эксцентричной нарезкой лопастей, установленных под углом друг к другу, создает дополнительную силу воздействия на сырье, при этом увеличивается скорость пластификации и производительность экструдера.

Лабораторный экструдер имеет наборный рабочий орган, состоящий из пяти секций, что позволяет исследовать различные комбинации параметров винта. Диаметр винта 40 мм, отношение длины к диаметру винта – 8. Привод осуществляется от электродвигателя мощностью 5,5 кВт посредством ременной передачи. Подача материала в экструдер осуществляется вибрационным питателем. Частота вращения регулируется посредством частотного преобразователя Delta Electronics VFD-E .

Методика экспериментальных исследований основывалась на СТО АИСТ 19.5-2012 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для брикетирования, гранулирования и экструдирования кормов» [8].

В качестве сырья использовалась пшеница влажностью 27 и 30 %. Влажность определялась влагомером зерна WILE 65. Для проверки правильности показаний влагомера были проведены контрольные замеры влажности, которые сравнивали с требуемой влажностью по ГОСТ 13586.5-93 «Зерно. Метод определения влажности». Расхождение результатов составило не более 5 % [9].

Для проведения экспериментов готовилась порция пшеницы массой 5 кг, в которую добавляли воду. Зерно выдерживалось в течение часа, с периодическим помешиванием. После чего производился повторный замер влажности, действия повторялись до тех пор, пока не получали необходимую влажность зерна.

Экструдер выводился на рабочий режим. С помощью частотного преобразователя устанавливалась необходимая частота вращения винта, после чего приступали к замерам технологических параметров.

Во время эксперимента токовыми клещами DT266 фиксировалась сила тока и напряжение на фазах, бесконтактным тахометром AR926 проверялась частота вращения шнека. Также фиксировалась температура ствола экструдера около фильеры с помощью инфракрасного пирометра RAYNGER ST20 . Продолжительность эксперимента составляла 5 минут, после чего масса готового продукта взвешивалась на лабораторных весах ВК-1500. Лабораторноизмерительное оборудование представлено на рисунке 2.

Эксперименты проводились с трехкратной повторностью в случайном порядке.

Рис. 2. Лабораторно-измерительное оборудование

В качестве плана был выбран полный двухфакторный эксперимент. Диапазон частот вращения винта от 160 до 192 об/мин при влажности пшеницы 27 % (табл. 1 и 2), от 220 до 252 об/мин при влажности 30 % (табл. 3, 4). Критерий оптимизации – удельная производительность экструдера, определяемая по формуле qуд = Q , (1)

где Q – производительность экструдера, кг/ч; N – мощность, затрачиваемая на экструзию, кВт.

Таблица 1

Факторы, уровни и интервалы варьирования эксперимента при влажности пшеницы 27 %

Фактор	Величина эксцентрика, мм	Частота вращения винта, об/мин
Верхний уровень (+1)	2	192
Нижний уровень (-1)	0	160
Интервал варьирования (ΔXi)	1	16

Таблица 2

План эксперимента при влажности пшеницы 27 %

Номер опыта	x 0	x 1	x 2	x 1 x 2	y ср
1	+	+	+	+	10,22
2	+	-	+	-	9,465
3	+	+	-	-	8,625
4	+	-	-	+	9,065

Таблица 3

Факторы, уровни и интервалы варьирования эксперимента при влажности пшеницы 30 %

Фактор	Величина эксцентрика, мм	Частота вращения винта, об/мин
Верхний уровень (+1)	2	252
Нижний уровень (-1)	0	220
Интервал варьирования (ΔXi)	1	16

Таблица 4

Номер опыта	x 0	x 1	x 2	x 1 x 2	y ср
1	+	+	+	+	27,38
2	+	-	+	-	23,78
3	+	+	-	-	24,89
4	+	-	-	+	21,83

План эксперимента при влажности пшеницы 30 %

В результате обработки экспериментальных данных были получены математические модели в виде уравнений регрессии (2) и (3). Адекватность проверена по F-критерию Фишера.

По уравнениям регрессии построены поверхности отклика (рис. 3 и 4). Обработка опыт- ных данных производилась с помощью программного продукта MathCAD 15.

у = 9,344 + 0,3xj + 0,5x₂ + 0.079х_Л. (2)

У = 24,47 + 1,665x_I + 1,11x₂ + 0,135x^2. (3)

Рис. 3. График зависимости удельной энергоемкости (y) от величины эксцентрика винта (x 1 ) и частоты вращения (x 2 ) при влажности пшеницы 27 %

Рис. 4. График зависимости удельной энергоемкости (y) от величины эксцентрика винта (x 1 ) и частоты вращения (x 2 ) при влажности пшеницы 30 %

Выводы. Анализируя полученные результаты, следует отметить, что при наличии эксцентрика до 2 мм и увеличении частоты вращения винта до 192 об/мин, при влажности пшеницы 27 %, происходит повышение удельной производительности экструдера y ср на 8 %. а при влажности 30 % и увеличении частоты вращения до 252 об/мин – увеличение удельной производительности y ср на 14 %. Действительно, применение нескольких участков с эксцентричной нарезкой лопастей, установленных под углом друг к другу в рабочем органе экструдера, создает дополнительную силу воздействия на сырье, увеличивая скорость пластификации и производительность.

Из проведенного эксперимента можно сделать вывод, что эксцентричная нарезка винта экструдера повышает производительность экструдера, оказывает положительное влияние на протекание процесса экструзии; это позволяет рекомендовать его для малых фермерских хозяйств при производстве экструдированных кормов.