Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів експандера комбікормів

Abstract

Дисертація на здобуття освітньо-наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування (13 «Механічна інженерія») – Дніпровський державний аграрно-економічний університет, Міністерство освіти і науки України, Дніпро, 2024. Мета роботи полягає у підвищенні ефективності процесу приготування повнораціонних комбікормів з їх одночасним знезараженням шляхом удосконалення конструкції експандера і обґрунтування його конструктивно-технологічних параметрів. Об'єкт дослідження – технологічний процес приготування повнораціонних експандованих комбікормів та технічній засіб для його реалізації. Предмет досліджень – закономірності протікання процесу експандування повнораціонних комбікормів. Методи досліджень. Теоретичні дослідження передбачають вивчення закономірностей взаємодії робочих органів експандера комбікормів з технологічним матеріалом із використанням методів системного аналізу, теоретичної механіки, механіки суцільного середовища, інтегральних і диференціальних обчислень, чисельного моделювання в програмному пакеті Simcenter Star-CCM+. Проведення експериментальних досліджень передбачало використання стандартних та розроблених методик, застосовуючи створені фізичні моделі та експериментальні зразки робочих органів, приладів і обладнання. Експериментальні дослідження проводились як в лабораторних, так і виробничих умовах, і включали в себе методику планування багатофакторних експериментів. Аналіз експериментальних даних проводився з використанням статистичних методів обробки даних та прикладного програмного забезпечення Wolfram Cloud. Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено фізико-математичну модель процесу формування експандатів із комбікорму, яка зв’язує технологічні параметри процесу експандування (вологість і температура) із фізико-механічними властивостями суміші комбікормів (середній діаметр частинок суміші, модуль пружності Юнга, коефіцієнт Пуассона, робота когезії на одиницю площі). Отримано аналітичні і експериментальні залежності у вигляді рівнянь регресії другого порядку продуктивності експандера, його споживаної потужності, питомої енергоємності процесу експандування і щільності отриманих експандатів від радіусів звуження циліндра і увігнутого конуса формуючої насадки, відстані між ними, частоти обертання гвинта і вологості комбікорму. Отримали подальший розвиток фізико-математичний апарат руху твердих компонентів корму, як дискретних елементів на основі пружно-демпферної контактної моделі Герца-Міндліна, у гвинтовому каналі експандера, який покладено в основу методики чисельного моделювання процесу експандування кормів в програмному пакеті Simcenter STAR-CCM+. Практичне значення одержаних результатів. Розроблену прес-матрицю із обґрунтованими раціональними конструктивно-технологічними параметрами у складі експандера кормів OEE 30.2 (Amandus Kahl GmbH & Co. KG) було впроваджено у виробництво ТОВ НВО «Глобинський свинокомплекс». Результати науково-технічної роботи у вигляді конструкторської та технічної документації удосконаленого експандера кормів використані й впроваджені на виробництві ТОВ ВО «Восход» для виготовлення відповідного дослідного зразка. Розроблені фізико-математичні моделі і методики чисельного моделювання впроваджені в освітні компоненти ОПП «Агроінженерія» для студентів першого (бакалаврського) і другого (магістерського) освітніх рівнів вищої освіти ДДАЕУ. Обґрунтована конструктивно-технологічна схема експандера комбікормів із удосконаленою формуючою насадкою, яка відрізняється тим що складається зі звуженої області циліндра, увігнутого конуса і корончатої гайки. При переміщенні нагрітої пластифікованої маси до звуженої області формуючої насадки відбувається підвищення тиску, а після її проходження різке його зменшення. Це досягається через збільшення об’єму робочої області за рахунок форми увігнутого конуса. В результаті чого пластифікована маса розширяється і виходить через корончату гайку з формуючої насадки, утворюючи при цьому експандати. Для оцінки правильності обраних моделей і фізико-математичного апарата, проведено чисельне моделювання процесу стискання компонентів кормової суміші в циліндричній ємності під дією поршня в STAR-CCM+. Дослідження процесу стискання компонентів кормової суміші були проведені для різних їх фізико-механічних властивостей, а саме середній діаметр частинок суміші, модуль пружності Юнга, коефіцієнт Пуассона, робота когезії на одиницю площі на трьох рівнях їх фіксації. В результаті чисельного моделювання для кожної комбінації фізико-механічних властивостей отримано закономірності пружного гістерезису компонентів корму. В результаті обробки даних моделювання отримані рівняння регресії зміни площі петлі пружного гістерезису і коефіцієнта механічних втрат, висоти отриманого експандату від середнього діаметра частинок суміші, модуля пружності Юнга, коефіцієнта Пуассона і роботи когезії на одиницю. В результаті чисельного моделювання формуючої насадки експандера кормів для трьох варіантів форми конуса (І – звичайний, ІІ – заокруглений, ІІІ – увігнутий) встановлено динаміку і розподіл компонентів кормової суміші в області формуючої насадки за силою тиску і силою контактної взаємодії компонентів корму між собою. Аналіз отриманих даних дає змогу стверджувати, що формуюча насадка із звичайним конусом забезпечує найбільші сили стиску поршня і конуса – 1415±41 Н і 231±35 Н відповідно. Для заокругленого конуса сили стиску поршня і конуса складають 1162±63 Н і 177±20 Н відповідно. Для увігнутого конуса сили стиску поршня і конуса складають 740±109 Н і 84±21 Н відповідно. Для кожного із варіантів конусу визначено зміну об’ємної маси, загальну силу стиску від абсолютної деформації компонентів корму. Встановлено, що всі три варіанти забезпечують практично однакову щільність суміші на виході 223–251 кг/м3. Так як найменша сила стиску спостерігається для увігнутого конуса, то приймаємо його за основний конструктивний елемент, параметри якого обґрунтуємо далі. В результаті чисельного моделювання визначено динаміку і розподіл компонентів кормової суміші в порожнині між циліндром формуючої насадки і конусом за силою тиску і силою контактної взаємодії компонентів корму між собою в залежності від радіуса звуження циліндра формуючої насадки, радіуса увігнутого конуса і відстані між конусом і циліндром. Встановлені рівняння регресії щільності пластифікованої маси компонентів корму на виході з формуючої насадки і максимального тиску, який необхідно прикласти для продавлювання пластифікованої маси компонентів корму через формуючу насадку вздовж їх руху від зазначених факторів досліджень. В результаті вирішення завдання багатокритеріальної оптимізації критеріїв досліджень, а саме зменшення тиску і підвищення щільності, на основі знаходження оптимуму мультиплікативної цільової функції встановлені раціональні конструктивні параметри формуючої насадки. Вирішуючи компромісну задачу, яка полягає у мінімізації коефіцієнта механічних втрат і максимізації щільності отриманих експандатів, отримуємо наступні раціональні технологічні параметри, при яких процес експандування кормів є найбільш ефективним. Для порівняння результатів чисельного моделювання і лабораторних досліджень складено програму на мові програмування Wolfram, яка дозволяє зв’язати технологічні параметри процесу експандування із фізико-механічними властивостями суміші комбікормів. В результаті експериментальних досліджень малогабаритного експандера кормів встановлені залежності зміни продуктивності експандера, його споживаної потужності, питомої енергоємності процесу експандування і щільності отриманих експандатів від вологості комбікорму, зазору між конусом та гайкою, частоти обертання гвинта. Результати техніко-економічної оцінки удосконаленого експандера свідчать, що при річному навантаженні 1880 т економія питомих операційних витрат складе 24,8 грн/т або 46568,1 грн на весь об’єм робіт, що дозволяє повернути інвестиції в переобладнання експандера за період 1,4 роки. Dysertatsiia na zdobuttia osvitno-naukovoho stupenia doktora filosofii (PhD) za spetsialnistiu 133 Haluzeve mashynobuduvannia (13 «Mekhanichna inzheneriia») – Dniprovskyi derzhavnyi ahrarno-ekonomichnyi universytet, Ministerstvo osvity i nauky Ukrainy, Dnipro, 2024. Meta roboty poliahaie u pidvyshchenni efektyvnosti protsesu pryhotuvannia povnoratsionnykh kombikormiv z yikh odnochasnym znezarazhenniam shliakhom udoskonalennia konstruktsii ekspandera i obgruntuvannia yoho konstruktyvno-tekhnolohichnykh parametriv. Obiekt doslidzhennia – tekhnolohichnyi protses pryhotuvannia povnoratsionnykh ekspandovanykh kombikormiv ta tekhnichnii zasib dlia yoho realizatsii. Predmet doslidzhen – zakonomirnosti protikannia protsesu ekspanduvannia povnoratsionnykh kombikormiv. Metody doslidzhen. Teoretychni doslidzhennia peredbachaiut vyvchennia zakonomirnostei vzaiemodii robochykh orhaniv ekspandera kombikormiv z tekhnolohichnym materialom iz vykorystanniam metodiv systemnoho analizu, teoretychnoi mekhaniky, mekhaniky sutsilnoho seredovyshcha, intehralnykh i dyferentsialnykh obchyslen, chyselnoho modeliuvannia v prohramnomu paketi Simcenter Star-CCM+. Provedennia eksperymentalnykh doslidzhen peredbachalo vykorystannia standartnykh ta rozroblenykh metodyk, zastosovuiuchy stvoreni fizychni modeli ta eksperymentalni zrazky robochykh orhaniv, pryladiv i obladnannia. Eksperymentalni doslidzhennia provodylys yak v laboratornykh, tak i vyrobnychykh umovakh, i vkliuchaly v sebe metodyku planuvannia bahatofaktornykh eksperymentiv. Analiz eksperymentalnykh danykh provodyvsia z vykorystanniam statystychnykh metodiv obrobky danykh ta prykladnoho prohramnoho zabezpechennia Wolfram Cloud. Naukova novyzna oderzhanykh rezultativ. Rozrobleno fizyko-matematychnu model protsesu formuvannia ekspandativ iz kombikormu, yaka zviazuie tekhnolohichni parametry protsesu ekspanduvannia (volohist i temperatura) iz fizyko-mekhanichnymy vlastyvostiamy sumishi kombikormiv (serednii diametr chastynok sumishi, modul pruzhnosti Yunha, koefitsiient Puassona, robota kohezii na odynytsiu ploshchi). Otrymano analitychni i eksperymentalni zalezhnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku produktyvnosti ekspandera, yoho spozhyvanoi potuzhnosti, pytomoi enerhoiemnosti protsesu ekspanduvannia i shchilnosti otrymanykh ekspandativ vid radiusiv zvuzhennia tsylindra i uvihnutoho konusa formuiuchoi nasadky, vidstani mizh nymy, chastoty obertannia hvynta i volohosti kombikormu. Otrymaly podalshyi rozvytok fizyko-matematychnyi aparat rukhu tverdykh komponentiv kormu, yak dyskretnykh elementiv na osnovi pruzhno-dempfernoi kontaktnoi modeli Hertsa-Mindlina, u hvyntovomu kanali ekspandera, yakyi pokladeno v osnovu metodyky chyselnoho modeliuvannia protsesu ekspanduvannia kormiv v prohramnomu paketi Simcenter STAR-CCM+. Praktychne znachennia oderzhanykh rezultativ. Rozroblenu pres-matrytsiu iz obgruntovanymy ratsionalnymy konstruktyvno-tekhnolohichnymy parametramy u skladi ekspandera kormiv OEE 30.2 (Amandus Kahl GmbH & Co. KG) bulo vprovadzheno u vyrobnytstvo TOV NVO «Hlobynskyi svynokompleks». Rezultaty naukovo-tekhnichnoi roboty u vyhliadi konstruktorskoi ta tekhnichnoi dokumentatsii udoskonalenoho ekspandera kormiv vykorystani y vprovadzheni na vyrobnytstvi TOV VO «Voskhod» dlia vyhotovlennia vidpovidnoho doslidnoho zrazka. Rozrobleni fizyko-matematychni modeli i metodyky chyselnoho modeliuvannia vprovadzheni v osvitni komponenty OPP «Ahroinzheneriia» dlia studentiv pershoho (bakalavrskoho) i druhoho (mahisterskoho) osvitnikh rivniv vyshchoi osvity DDAEU. Obgruntovana konstruktyvno-tekhnolohichna skhema ekspandera kombikormiv iz udoskonalenoiu formuiuchoiu nasadkoiu, yaka vidrizniaietsia tym shcho skladaietsia zi zvuzhenoi oblasti tsylindra, uvihnutoho konusa i koronchatoi haiky. Pry peremishchenni nahritoi plastyfikovanoi masy do zvuzhenoi oblasti formuiuchoi nasadky vidbuvaietsia pidvyshchennia tysku, a pislia yii prokhodzhennia rizke yoho zmenshennia. Tse dosiahaietsia cherez zbilshennia obiemu robochoi oblasti za rakhunok formy uvihnutoho konusa. V rezultati choho plastyfikovana masa rozshyriaietsia i vykhodyt cherez koronchatu haiku z formuiuchoi nasadky, utvoriuiuchy pry tsomu ekspandaty. Dlia otsinky pravylnosti obranykh modelei i fizyko-matematychnoho aparata, provedeno chyselne modeliuvannia protsesu styskannia komponentiv kormovoi sumishi v tsylindrychnii yemnosti pid diieiu porshnia v STAR-CCM+. Doslidzhennia protsesu styskannia komponentiv kormovoi sumishi buly provedeni dlia riznykh yikh fizyko-mekhanichnykh vlastyvostei, a same serednii diametr chastynok sumishi, modul pruzhnosti Yunha, koefitsiient Puassona, robota kohezii na odynytsiu ploshchi na trokh rivniakh yikh fiksatsii. V rezultati chyselnoho modeliuvannia dlia kozhnoi kombinatsii fizyko-mekhanichnykh vlastyvostei otrymano zakonomirnosti pruzhnoho histerezysu komponentiv kormu. V rezultati obrobky danykh modeliuvannia otrymani rivniannia rehresii zminy ploshchi petli pruzhnoho histerezysu i koefitsiienta mekhanichnykh vtrat, vysoty otrymanoho ekspandatu vid serednoho diametra chastynok sumishi, modulia pruzhnosti Yunha, koefitsiienta Puassona i roboty kohezii na odynytsiu. V rezultati chyselnoho modeliuvannia formuiuchoi nasadky ekspandera kormiv dlia trokh variantiv formy konusa (I – zvychainyi, II – zaokruhlenyi, III – uvihnutyi) vstanovleno dynamiku i rozpodil komponentiv kormovoi sumishi v oblasti formuiuchoi nasadky za syloiu tysku i syloiu kontaktnoi vzaiemodii komponentiv kormu mizh soboiu. Analiz otrymanykh danykh daie zmohu stverdzhuvaty, shcho formuiucha nasadka iz zvychainym konusom zabezpechuie naibilshi syly stysku porshnia i konusa – 1415±41 N i 231±35 N vidpovidno. Dlia zaokruhlenoho konusa syly stysku porshnia i konusa skladaiut 1162±63 N i 177±20 N vidpovidno. Dlia uvihnutoho konusa syly stysku porshnia i konusa skladaiut 740±109 N i 84±21 N vidpovidno. Dlia kozhnoho iz variantiv konusu vyznacheno zminu obiemnoi masy, zahalnu sylu stysku vid absoliutnoi deformatsii komponentiv kormu. Vstanovleno, shcho vsi try varianty zabezpechuiut praktychno odnakovu shchilnist sumishi na vykhodi 223–251 kh/m3. Tak yak naimensha syla stysku sposterihaietsia dlia uvihnutoho konusa, to pryimaiemo yoho za osnovnyi konstruktyvnyi element, parametry yakoho obgruntuiemo dali. V rezultati chyselnoho modeliuvannia vyznacheno dynamiku i rozpodil komponentiv kormovoi sumishi v porozhnyni mizh tsylindrom formuiuchoi nasadky i konusom za syloiu tysku i syloiu kontaktnoi vzaiemodii komponentiv kormu mizh soboiu v zalezhnosti vid radiusa zvuzhennia tsylindra formuiuchoi nasadky, radiusa uvihnutoho konusa i vidstani mizh konusom i tsylindrom. Vstanovleni rivniannia rehresii shchilnosti plastyfikovanoi masy komponentiv kormu na vykhodi z formuiuchoi nasadky i maksymalnoho tysku, yakyi neobkhidno pryklasty dlia prodavliuvannia plastyfikovanoi masy komponentiv kormu cherez formuiuchu nasadku vzdovzh yikh rukhu vid zaznachenykh faktoriv doslidzhen. V rezultati vyrishennia zavdannia bahatokryterialnoi optymizatsii kryteriiv doslidzhen, a same zmenshennia tysku i pidvyshchennia shchilnosti, na osnovi znakhodzhennia optymumu multyplikatyvnoi tsilovoi funktsii vstanovleni ratsionalni konstruktyvni parametry formuiuchoi nasadky. Vyrishuiuchy kompromisnu zadachu, yaka poliahaie u minimizatsii koefitsiienta mekhanichnykh vtrat i maksymizatsii shchilnosti otrymanykh ekspandativ, otrymuiemo nastupni ratsionalni tekhnolohichni parametry, pry yakykh protses ekspanduvannia kormiv ye naibilsh efektyvnym. Dlia porivniannia rezultativ chyselnoho modeliuvannia i laboratornykh doslidzhen skladeno prohramu na movi prohramuvannia Wolfram, yaka dozvoliaie zviazaty tekhnolohichni parametry protsesu ekspanduvannia iz fizyko-mekhanichnymy vlastyvostiamy sumishi kombikormiv. V rezultati eksperymentalnykh doslidzhen malohabarytnoho ekspandera kormiv vstanovleni zalezhnosti zminy produktyvnosti ekspandera, yoho spozhyvanoi potuzhnosti, pytomoi enerhoiemnosti protsesu ekspanduvannia i shchilnosti otrymanykh ekspandativ vid volohosti kombikormu, zazoru mizh konusom ta haikoiu, chastoty obertannia hvynta. Rezultaty tekhniko-ekonomichnoi otsinky udoskonalenoho ekspandera svidchat, shcho pry richnomu navantazhenni 1880 t ekonomiia pytomykh operatsiinykh vytrat sklade 24,8 hrn/t abo 46568,1 hrn na ves obiem robit, shcho dozvoliaie povernuty investytsii v pereobladnannia ekspandera za period 1,4 roky.