Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЩИПАЧЕВ ТИМУР НИКОЛАЕВИЧ
совершенствование ТЕХНОЛОГИИ обработки прополиса с разработкой подпрессовщика
к брикетному прессу
Специальность 05.20.01 Ц
технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Рязань - 2012
Работа выполнена на кафедре УМеханизация животноводстваФ федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П. А. Костычева (ФГБОУ ВПО РГАТУ)
Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор
Некрашевич Владимир Федорович
(ФГБОУ ВПО РГАТУ).
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Щербина Виталий Иванович
(ФГБОУ ВПО АЧГАА);
кандидат технических наук, доцент
Киреев Василий Константинович
(ФГБОУ ВПО РГАТУ).
Ведущая организация: ГНУ НИИ пчеловодства Россельхозакадемии.
Защита состоится: 24 мая 2012 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГБОУ ВПО РГАТУ по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГАТУ.
С авторефератом можно ознакомиться на сайтах www.rgatu.ru и www.vak.ed.gov.ru
Автореферат разослан 23 апреля 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета, Шемякин А.В.
кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Пчеловодство - одна из старейших отраслей сельского хозяйства, которая может повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур, улучшить посевные свойства семян и товарные качества плодов и овощей. Пчелиная семья вырабатывает уникальную по составу и свойствам продукцию: мед, пергу, воск, прополис, маточное молочко, пчелиный яд и др., которая широко используется в медицине и некоторых отраслях промышленности.
Прополис (пчелиный клей) - один из ценнейших и дорогостоящих продуктов пчеловодства. Его бактерицидное действие распространяется на многие возбудители болезней человека. Известны его антибактериальное, вирусоцидное и вирусостатическое действие, а также противовоспалительные и анестезирующие свойства.
При розничной стоимости одного килограмма прополиса от пяти до десяти тысяч рублей и высокой покупательной способности и спросе на очищенный от примесей прополис в товарном виде - промышленная заготовка и обработка прополиса может стать одним из доходных направлений пчеловодства.
В настоящее время натуральный прополис поступает в розничную продажу от пчеловодов скатанный в комочки без соблюдения определенной массы и надлежащей очистки.
Существующая технология переработки прополиса (патент РФ №56786) имеет ряд недостатков, связанных с несовершенством процесса очистки, в результате которой образуется большое количество потерь и не обеспечивается получение прополиса, соответствующего ГОСТу 28886-90 и из-за отсутствия устройства для его очистки. Прессование осуществляется при свободном истечении материала из бункера в зону прессования, не обеспечивающего равномерного заполнения ячеек. Процесс поступления прополиса в зону прессования никак не регулируется, что приводит к сводообразованию или заклиниванию пресса при избыточном количестве материала и в значительной степени сказывается на энергоемкости процесса брикетирования и плотности получаемых брикетов.
Цель исследований. Повышение эффективности обработки прополиса, улучшение качества и товарного вида получаемых брикетов путем разработки и обоснования параметров и режимов работы пневмосепаратора и подпрессовщика к вальцовому брикетному прессу для прессования прополиса.
Объект исследований. Физико-механические, адгезивные и аспирационные свойства прополиса, а также процессы очистки, дозирования и нагнетания прополиса подпрессовщиком в ячейки вальцов брикетного пресса и получения брикетов.
Предмет исследований. Закономерности процессов дозированной подачи, нагнетания прополиса в формующие ячейки вальцового пресса и получения брикетов заданной плотности.
Методика исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Теоретическое исследование посвящено получению зависимостей, позволяющих установить оптимальные конструктивно-режимные параметры подпрессовщика вальцового пресса для прессования прополиса в брикеты.
Экспериментальные исследования выполнены на специально изготовленных установках с использованием стандартных и частных методик с применением методов планирования эксперимента.
Обработка полученных экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с применением ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в разработке:
- механико-математической модели процесса прессования прополиса в брикеты с предварительным нагнетанием дозированной порции материала в ячейки вальцового пресса, осуществляемого при помощи подпрессовщика, имеющего клиновидную форму, радиус кривизны рабочих поверхностей которого совпадает с контуром прессующих вальцов;
- математических моделей, характеризующих изменение плотности материала на различных стадиях прессования при брикетировании прополиса вальцовым формующим прессом с подпрессовщиком.
Практическая ценность работы заключается в получении качественных брикетов из очищенного на разработанном пневмосепараторе прополиса и спрессованного на усовершенствованном брикетном прессе с подпрессовщиком.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО РГАТУ в рамках государственной темы № 01201174434 Совершенствование энергоресурсосберегающих технологий и средств механизации в отраслях животноводства.
Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и обработкой опытных данных на ЭВМ с использованием статистических программ. Результаты теоретических разработок согласуются с экспериментальными данными, а также положительными результатами производственных испытаний.
Реализация работы. На основании проведенных исследований изготовлен опытно-производственный образец пневмосепаратора для очистки прополиса и вальцовый пресс с подпрессовщиком для брикетирования прополиса в брикеты. С использованием усовершенствованной технологии произведена очистка прополисового сырья и изготовлены брикеты для ОАО Рязанская пчела, ЧП Колунтаев, ЧП Фионин. Рабочая документация передана в фирму Техсервис Плюс для изготовления опытной партии прессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- модель функционирования линии с пневмосепаратором и вальцовым формующим прессом для прессования прополиса в брикеты, оснащенным подпрессовщиком;
- показатели физико-механических и адгезивных свойств прополиса;
- технологические параметры процесса очистки, дозирования и подпрессовки прополиса;
- теоретические зависимости, описывающие процесс прессования прополиса вальцовым прессом с подпрессовщиком;
- результаты проверки предложенных конструктивных и технологических решений в лабораторных и производственных условиях и рекомендации производству.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Рязанского ГАТУ им. П.А. Костычева (2008 - 2011 гг.), Орловского ГАУ (2010 г.), академии пчеловодства (2010-2011 гг.), конкурсе научных работ в Московском ГАУ им В.П. Горячкина (2008 г.). В 2010 г. на разработку Линия переработки прополиса получен грант Рязанского регионального отделения Общероссийской общественной организации Российское аграрное движение - РАД.
Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 входят в перечень ВАК РФ и патент на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из реферата, введения, пяти разделов, выводов, списка использованной литературы, включающем 154 наименования, приложений. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, из которых основной текст содержит 161 страницу и иллюстрирован 54 рисунками и 5 таблицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, научная новизна и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ЗАГОТОВКИ И ПРЕССОВАНИЯ ПРОПОЛИСА В БРИКЕТЫ на основании анализа научных изданий и патентной литературы приведены аспекты использования прополиса при лечении и профилактике различных заболеваний. Дан краткий обзор существующих способов заготовки и обработки прополиса.
Проведен анализ способов и средств механизации по дозированию и нагнетанию сыпучих материалов и анализ исследований процесса уплотнения сыпучих материалов.
В создание современной теории дозирования и истечения сыпучих материалов большой вклад внесли такие ученые, как А.Г. Амельянц, В.А. Богомягких, В.С. Горюшинский, Л.В. Гячев, С.М. Жафер, Р.Л. Зенков, А.Д. Зимон, Р. Квапил, А.А. Лийвакант, Х. Таубманн, А.А. Уткин и другие.
Вопросам уплотнения и прессования сельскохозяйственных материалов посвящены исследования С.А. Алферова, В.П. Горячкина, И.А. Долгова, С.В. Мельникова, В.Ф. Некрашевича, В.И. Особова, Ю.В Подкользина, М.А. Пустыгина, Г.Я. Фарбмана, В.И. Щербины и других авторов, прополиса - В.Ф. Некрашевича, А.А. Садовникова и М.В. Чурсинова.
Обоснована необходимость применения устройства для дозирования прополиса в формующие ячейки вальцового пресса при брикетировании с предварительной подпрессовкой.
Обосновано применение технологической операции пневмосепарирования в качестве эффективного способа очистки прополиса от примесей.
С учетом вышеизложенного была сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследования:
1 - разработать схему технологического процесса очистки от примесей и прессования прополиса в брикеты;
2 - изучить физико-механические и адгезивные свойства прополиса;
3 - разработать пневмосепаратор и определить режимы очистки прополиса от примесей;
4 - разработать конструктивно - технологическую схему вальцового формующего пресса с подпрессовщиком;
5 - теоретически и экспериментально обосновать основные конструктивно-режимные параметры работы подпрессовщика;
6 - произвести проверку усовершенствованной технологии обработки прополиса в производственных условиях и оценить ее экономическую эффективность.
Во втором разделе ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И АДГЕЗИВНЫЕ свойства прополисА изложена программа и методика исследований; приведены методы определения объемной массы, статических и динамических коэффициентов трения прополиса различного гранулометрического состава по органическому стеклу, фторопласту и пленке ПВХ; коэффициентов внутреннего трения и липкости к используемым в конструкции материалам; текучести и аспирационных свойств прополиса.
Дано описание используемых для проведения опытов приборов и измерительной аппаратуры.
В ходе проведенных исследований получены следующие результаты.
При среднем размере частиц 0,75 мм значение объемной массы измельченного прополиса составляет 528 кг/м3, при увеличении среднего размера частиц до 4,5 мм объемная масса уменьшается до 498 кг/м3.
Установлено, что с увеличением гранулометрического состава прополиса, значения коэффициентов трения по органическому стеклу, фторопласту и пленке ПВХ уменьшаются. Наименьшее значение коэффициента трения прополиса - по фторопласту: 0,4021 - статический и 0,2696 - динамический, а наибольшее значение - по пленке ПВХ: 1,837 - статический и 1,189 - динамический. Таким образом, целесообразно покрывать вальцы пленкой ПВХ, что будет исключать налипание на их поверхность прополиса и обеспечит перемещение его массы из бункера через загрузочные окна в зону прессования.
Минимальное значение коэффициента внутреннего трения 1,912 наблюдается у прополиса с размером частиц 2 и 3 мм, что позволяет сделать заключение о проявлении наилучшей сыпучести материала при данном гранулометрическом составе прополиса.
При увеличении крупности частиц липкость уменьшается. Наибольшую липкость к различным материалам проявляет прополис с размером частиц 0,75 мм Наименьшее значение липкости 0,27 кПа прополиса зафиксировано к фторопласту при среднем размере частиц 4,5 мм. Таким образом, данный материал в наибольшей степени пригоден для изготовления конструктивных элементов подпрессовщика, непосредственно контактирующих с прополисом.
С увеличением размера частиц прополис в большей степени проявляет сыпучие свойства.
Максимальный выход чистого прополиса с минимумом его потерь достигается при пневмосепарировании фракции со средним размером частиц 2,5 мм при скорости воздушного потока 0,45 м/с.
В третьем разделе ТЕОРИЯ ПРЕССОВАНИЯ ПРОПОЛИСА В БРИКЕТЫ ВАЛЬЦОВЫМ ФОРМУЮЩИМ ПРЕССОМ С ПОДПРЕССОВЩИКОМ представлена конструктивно-технологическая схема вальцового пресса формующего типа с подпрессовщиком для брикетирования прополиса и его параметрическая модель. В результате теоретических исследований получены аналитические зависимости для расчета основных конструктивных и технологических параметров подпрессовщика. Определены закономерности изменения плотности прополиса при прессовании.
Для осуществления дозированной подачи с подпрессовкой прополиса в ячейки, был сконструирован и изготовлен формующий вальцовый пресс с подпрессовщиком (рис. 1).
Пресс состоит из рамы 1, на которой установлены два встречно вращающихся прессующих вальца 2, на цилиндрических поверхностях которых выполнены ячейки 4. Бобины 10, установленные на раме, служат для разматывания полос пленки 11 и ее подачи на рабочую поверхность вальцов. Привод вальцов осуществляется через цепную передачу от мотор-редуктора, а подпрессовщика - через цепную передачу 3. Встречное вращение вальцов обеспечивает зубчатая передача. Конструкция содержит подпрессовщик 5, совершающий движения вверх-вниз в камере, ограниченной перегородками 6, образующими загрузочные окна 7.
Пресс с подпрессовщиком работает следующим образом. При поднятии подпрессовщика 5 происходит перемещение прополиса вращающимися вальцами 2 в зону прессования через загрузочные окна 7. Опускаясь, подпрессовщик боковыми сторонами перекрывает загрузочные окна, продавливает изолирующую пленку 10 и производит нагнетание прополиса в ячейки. При дальнейшем вращении вальцов за счет слипания симметричных прессовок, обеспечиваемого слоем материала над вальцами, происходит формирование брикетов, которые под действием силы тяжести выпадают из формующих ячеек. Прилипание прополиса к прессующим вальцам исключается изолирующей пленкой, подаваемой на рабочую поверхность вальцов.
1 - рама; 2 - прессующие вальцы; 3 - привод подпрессовщика; 4 - формующие ячейки; 5 - подпрессовщик; 6 - стенки камеры подпрессовщика; 7 - загрузочные окна; 8 - бункерные полости; 9 - эксцентриковый вал подпрессовщика; 10 - бобины с пленкой, 11 - лента пленки.
Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема брикетного пресса с подпрессовщиком.
Синхронизация вращения вала подпрессовщика и прессующих вальцов - один из важнейших параметров работы брикетного пресса, от которого зависит производительность, энергоемкость процесса брикетирования и качество брикетов. В разделе приводится обоснование конструктивно-режимных параметров работы подпрессовщика и вальцов пресса.
Рассмотрим установившийся режим работы пресса и изобразим два крайних положения подпрессовщика - верхнее и нижнее (рис. 2а и 2б).
Будем считать, что подпрессовщик охватывает 2n ячеек по одну сторону от оси симметрии, из которых n ячеек расположены под криволинейной частью подпрессовщика. При этом BD = CE = n ячеек от E до G (рис 2а).
Зазор между вальцом и подпрессовщиком и ширина нижней части DD1 = EE1 подпрессовщика выбран таким образом, чтобы точка F делила дугу A0G на две равные части.
Кинематику подпрессовщика и вальца принимаем из условия, что за один ход подпрессовщика вверх или вниз валец поворачивался на угол , где яч - центральный угол, приходящийся на одну ячейку. За время полного оборота эксцентрикового вала подпрессовщикавалец повернется на угол nяч. При этом: nяч = вtп ,
где: к, в - угловые скорости вращения эксцентрикового вала подпрессовщика и вальца пресса соответственно.
Отсюда:
а - верхнее положение
подпрессовщика
б - нижнее положение
подпрессовщика
Рисунок 2 - Расчетная схема для определения временных циклов работы подпрессовщика и вальцов пресса.
При таком соотношении угловых скоростей формируются брикеты практически одинаковой плотности. Рабочий цикл пресса происходит следующим образом. В нижнем положении подпрессовщика материал запрессован в ячейках от A0 до A4, в зазоре толщиной и криволинейном треугольнике EE1F с одинаковой плотностью 1 (рис 2б). В ячейках от A3 до A4 и треугольнике F1FG материал имеет другую плотность, равную 1' за счет сжатия материала в зазоре. При движении подпрессовщика из крайнего нижнего положения вверх, материал в секторе FF1G допрессовывается в ячейки A3A4 до плотности к, которые затем покидают камеру при достижении подпрессовщиком крайнего верхнего положения. Их место занимают ячейки A2A3 (рис. 2а) и под подпрессовщиком будут находиться ячейки от A-1 до A3 (рассматриваем лишь одну сторону от оси симметрии). При этом пространство под подпрессовщиком заполняется исходным материалом плотностью 0 (рис. 2а), площадь которого складывается из площадей BDEC, DD1E1E, E1EF и площади зазора между вальцом и подпрессовщиком: , где . Ячейки A0A-1 не будут заполнены из-за натянутой пленки.
При движении подпрессовщика до крайнего нижнего положения ячейки от A2 до A3 покинут камеру. Их место займут ячейки A1A2, а материал будет запрессован в ячейках от A-2 до A0, в зазоре между вальцом и подпрессовщиком площадью 2S и в треугольнике EE1F с плотностью 1. Материал в объеме E1EF будет запрессован в ячейках A1A2 и в слое FF1G.
Для определения плотности прополиса в процессе прессования вальцовым прессом с подпрессовщиком зададим начальные условия.
Пусть u - перемещение подпрессовщика вниз от его верхнего положения (рис. 3).
При этом эксцентриковый вал подпрессовщика повернется на угол .
Рисунок 3 - Расчетная схема для определения положения подпрессовщика.
Тогда: u = r(1-cos ) (1)
Дифференцируя уравнение (1), получим:
= rкsin (2)
За время валец повернется на угол или): (3)
Из формулы (1) имеем: . Подставив это выражение в (3) и решая относительно получаем:
(4)
Следует отметить, что материал сжимается практически без бокового расширения за счет плотного примыкания стенок бункера к торцевым поверхностям вальцов. При этом условии изменение плотности материала будет определяться изменением площадей (объемов), заключенных между подпрессовщиком и вальцами.
Определим значения характерных площадей при перемещении подпрессовщика на расстояние u и повороте вальцов на соответствующий угол , определяемый равенством (4).
Пусть S1 - площадь фигуры B'D'EC, ограниченной сверху и снизу дугами окружностей B'D' и CE, уравнения которых в системе координат Oxy имеют вид:
B'D': x2 +(y1-( - u))2 = (R+)2=R12 (5)
CE: x2 + y22 =R12 (6)
где: R - радиус вальцов;
- зазор между подпрессовщиком и вальцом в нижнем положении подпрессовщика, = 2r - ход подпрессовщика. Из (5) и (6) выразим:
(7)
(8)
Площадь фигуры, ограниченной кривыми (7) и (8):
(9)
Площадь фигуры D'D1'E1E:
(10)
При повороте вальцов на угол площадь фигуры E1EF изменится на величину S3() (рис.4).
Из рисунка 4 определим:
Рисунок 4 - Расчетная схема для определения плотности материала между подпрессовщиком и вальцами пресса.
(11)
Площадь всей фигуры E1EF равна:
(12)
Также изменится площадь в зазоре между подпрессовщиком и вальцом. Она станет равной:
(13)
Таким образом, общая площадь, в которой будет сжиматься исходный материал, будет равна:
S(u) = S1(u) + S2(u) + S3 + S (u) (14)
Подставив в формулу (14) выражения (9), (10), (11), (12), получим:
(15)
где определяется выражением (4).
Из формулы (15) можно выразить начальное значение общей площади:
(16)
Из условия сохранения массы в этой части объема имеем равенство:
0S(0) = 1(u)S(u). Отсюда:
(17)
В крайнем нижнем положении подпрессовщика имеем:
= 2 - 1, u = = 2r,
Рисунок 5 - Расчетная схема для определения закона изменения плотности прополиса.
Соответственно, плотность материала в этой части объема будет равна:
(18)
Определим закон изменения плотности прополиса при сжатии площади EE1F в площадь FF1G (рис.5).
При повороте вальца на угол площадь EE1F убывает на S3(), определяемой равенством (11), и в то же время увеличивается на S5.
Определим площадь S5():
(19)
Текущее значение площади будет выражаться:
(20)
Подставив в уравнение (20) выражения (11), (12) и (19), получим:
(21)
Исходя из условия, что = 2 - 1 = 1, из выражения (21) имеем:
(22)
При = 0 из выражения (20) с учетом равенств (19) и (11) получим значение S1' (0):
(23)
Текущая плотность в этой части объема будет определяться выражением:
(24)
Для крайнего нижнего положения подпрессовщика выражение (24) примет вид:
(25)
При нагнетании материала площадью FF1G в ячейки закон изменения плотности определяется законом изменения площади фигуры FF1G. Согласно рис. 5, данный закон имеет вид:
(26)
тогда:
,
где с учетом равенства (19):
(27)
Конечное значение плотности материала в брикетах определяется выражением:
(28)
где, согласно формуле (26):
Реализованный в расчетах подход вполне приемлем для оценки плотности получаемых брикетов и энергоемкости процесса брикетирования.
Наибольшее нормальное давление между подпрессовщиком и вальцами возникает в нижнем положении подпрессовщика, когда плотность достигает наибольшего значения 1.
Давление между подпрессовщиком и вальцом определяется в зависимости от плотности. Примем эту зависимость по В.И. Особову в виде:
P = P0 (e - 1) (29)
где λ - относительное изменение плотности,
где: ρ0 - первоначальная плотность, кг/м3;
ρ - текущая плотность, кг/м3.
P0 - коэффициент пропорциональности, характерный для каждого вида корма, имеющий размерность давления, Па;
а - коэффициент, зависящий от структурно-механических свойств прополиса, имеющий размерность удельного объема м3/кг;
Параметры и Р0 определяются в результате обработки экспериментальных данных при испытании на растяжение в условиях невозможности бокового расширения материала.
При = 1 из зависимости (29) имеем:
(30)
Распределение этого давления представлено на (рис. 6).
Равнодействующая давления по цилиндрической части поверхности подпрессовщика направлена по биссектрисе угла 2- 1.
Полная равнодействующая давления будет определяться выражением:
(31)
Рисунок 6 - Расчетная схема распределения давлений при нагнетании прополиса в ячейки прессующих вальцов.
По торцу подпрессовщика равнодействующая давления будет равна выражению:
1 = aP1h (32)
С силой давления связана сила сухого трения. Запрессованный в зазоре и в ячейках материал захватывается ячейками вальца и двигается вместе с вальцом. Сила трения направлена противоположно относительной скорости точек подпрессовщика и вальца. В крайнем нижнем положении подпрессовщика скорость его движения равна нулю.
Рисунок 7 - Расчетная схема для определения силы трения, действующей на подпрессовщик.
Следовательно, сила трения, действующая на подпрессовщик, направлена в сторону вращения вальца (рис.7) и равна:
= f P1 (33)
где f - коэффициент трения спрессованного материала до плотности 1 о поверхность подпрессовщика.
Равнодействующая сил трения направлена по нормали к биссектрисе угла 2 - 1. Полную равнодействующую сил трения
определим, согласно (33) по выражению:
(34)
Рисунок 8 - Расчетная схема системы сил, действующих на подпрессовщик со стороны спрессованного материала.
В итоге имеем следующую систему сил, действующих на подпрессовщик со стороны спрессованного материала (рис.8):
Составляющая равнодействующей сил 1, , T по оси x равна нулю, а по оси y будет равна:
(35)
На вальцы действуют аналогичные противоположно
направленные силы и T. Кроме этого, на вальцы действует давление материала по контуру A0A1 с плотностью 1 и по контуру A1G с плотностью 1' (рис.9).
Рисунок 9 - Схема действия сил на вальцы по контурам A0A1 и A1G.
К этим силам надо добавить силу от сжатия материала в ячейку при ее переходе через точку G. Равнодействующие этих сил по аналогии с равенством (31) равны:
(36)
где .
Работа по сжатию элементарного объема dW равна PdV. Суммируя работу по характерным объемам с площадями S(u), S1'(), Sк(), определяемым по формулам (15), (21) и (26) соответственно, получим:
(37)
При движении подпрессовщика вверх работу совершают только вальцы по сжатию материала в объемах EE1F и FF1G, т.е. на стадии прессования материала от плотности 1 до 1' и от 1' до к. Кроме этого вальцы совершают работу по преодолению сил трения между подпрессовщиком и материалом. При движении подпрессовщика вниз давление изменяется от нуля до P1, следовательно, сила сухого трения изменяется от нуля до .
Таким образом, вся работа, с учетом работы по преодолению сил трения, совершаемая за один цикл (подсчитанная на одну сторону от оси симметрии) определяется выражением:
(38)
Средняя мощность за один цикл подпрессовщика, равный будет определяться по формуле
В четвертом разделе ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИсследованиЯ процессА ПОДАЧИ И ПОДПРЕССОВКИ прополиса ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ ВАЛЬЦОВЫМ ПРЕССОМ ФОРМУЮЩЕГО ТИПА с подпрессовщиком изложена программа и методика исследований, приведено описание лабораторной установки, оборудования и приборов, представлены результаты экспериментов. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных производилась с применением программ Statistika 8.0 и MathWorks MatLab v8.1.0.
В разделе приведена методика и результаты определения оптимальных параметров пленки для покрытия ячеек вальцов.
Установлено, что для предотвращения налипания прополиса на рабочие органы пресса необходимо использовать изолирующую пленку ПВХ типа стретч толщиной 20 мкм, которая должна подаваться на цилиндрическую поверхность вальцов. Данная пленка сохраняет целостность при деформировании на острых кромках матрицы и обладает минимальным сопротивлением растяжению при нагнетании прополиса подпрессовщиком в ячейки.
Для определения геометрических параметров подпрессовщика с целью оптимизации процесса прессования и получения брикетов постоянной плотности были проведены лабораторные исследования с использованием планирования эксперимента.
Для реализации эксперимента принят трехуровневый план второго порядка Бокса - Бенкина при двух изменяющихся факторах.
В качестве факторов в плане эксперимента принята высота загрузочных окон () и зазор между основанием подпрессовщика в нижнем положении и вальцами (u) (табл.1). Эксперимент проводился для подпрессовщиков с ширинами основания 2, 3 и 4 мм.
Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования.
Уровень и интервал варьирования | Факторы | |
Высота загрузочных окон (), мм | Зазор (u), мм | |
Верхний уровень (+1) | 20 | 3,0 |
Основной уровень (0) | 15 | 2,0 |
Нижний уровень (Ц1) | 10 | 1,0 |
Интервал варьирования | 5 | 1 |
В результате проведения эксперимента и статистической обработки результатов были получены адекватные модели регрессии, одна из которых представлена графически на рисунке 6.
= 655,9444+76,4167x+39,7667y-5,1667x2-1,95xy-0,7467y2
Рисунок 6 - Графическая зависимость плотности брикетов () от высоты загрузочного окна () и зазора (u) между основанием подпрессовщика в нижнем положении и вальцами при ширине основания подпрессовщика 3 мм.
Анализируя приведенную графическую зависимость, можно сделать вывод, что для достижения оптимального значения плотности брикетов 1150-1170 кг/м3 подпрессовщик должен иметь основание шириной 3 мм, обеспечивать образование слоя материала над вальцами толщиной 2-2,2 мм. Высота загрузочных окон, при этом, должна составлять не менее15 мм, но и не более 17 мм. Следует отметить, что оптимальная плотность брикетов также достигается и при значениях толщины слоя прополиса над вальцами 3 мм и высоте загрузочных окон 12-13 мм. Однако при такой высоте окна не обеспечивается непрерывное просыпание прополиса в зону прессования ввиду возникновения сводообразования, что приводит к значительному увеличению брака в готовой продукции.
Определение удельной энергоемкости процесса брикетирования вальцовым прессом с использованием подпрессовщика и крошимости получаемых брикетов (рис. 7, 8) позволили установить, что при установленных параметрах дозирования и нагнетания обеспечивается минимальная энергоемкость процесса брикетирования - 4,27 кВтч/кг, крошимость - 2,1%, чего вполне достаточно для выполнения последующих технологических операций: фасовки, транспортировки и хранения.
Небольшой разброс в значениях объясняется сложностью и неоднородностью состава прополиса, также сроком его хранения и местной флорой, где производился сбор прополиса пчелами.
K = 17,7389-1,49x-1,375y+0,0347x2+0,055xy+0,0167y2
Рисунок 7 - Графическая зависимость крошимости (K) брикетов от высоты загрузочного окна () и зазора (u) между основанием подпрессовщика в нижнем положении и вальцами.
A = 3,1189+0,2683x+0,0723y-0,0083x2-0,002xy+0,0081y2
Рисунок 8 - Графическая зависимость энергоемкости (A) брикетирования от высоты загрузочного окна () и зазора (u) между основанием подпрессовщика в нижнем положении и вальцами.
В пятом разделе РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВНЕДРЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ПРОЦЕССА БРИКЕТИРОВАНИЯ вальцовым формующим прессом С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДПРЕССОВЩИКА дано описание опытно-производственного пресса, изложены программа, методика и результаты исследований, определена экономическая эффективность применения предложенного вальцового пресса с подпрессовщиком для брикетирования прополиса.
С использованием результатов экспериментальных исследований в лаборатории инновационных и энергоресурсосберегающих технологий и средств механизации в растениеводстве и животноводстве ФГБОУ ВПО РГАТУ был разработан, изготовлен и испытан опытно-производственный образец вальцового пресса с подпрессовщиком (рис.9) для брикетирования прополиса со следующими техническими характеристиками: диаметр вальца - 270 мм, ширина вальца - 30 мм, ширина основания подпрессовщика - 3 мм, высота загрузочных окон - 15 мм, толщина слоя материала между рабочей поверхностью подпрессовщика в крайнем нижнем положении и вальцами пресса - 2 мм, количество пар ячеек, находящихся в стадии подпрессовки - 4.
Производственными исследованиями установлено, что предложенная конструкция пресса работоспособна и позволяет осуществлять качественное прессование прополиса. Оптимальным режимом работы вальцового пресса прополиса является, частота вращения прессующих вальцов - 8 об/мин, частота вращения эксцентрикового вала подпрессовщика - 80 об/мин. При этом производительность пресса составляет 96 кг/ч, удельная энергоемкость процесса составляет 4,27 кВтч/т. Плотность полученных брикетов прополиса составила 1150-1170 кг/м3, крошимость 2,1%.
1 - рама; 2 - прессующие вальцы; 3 - подпрессовщик; 4 - загрузочные окна;
5 - регулировочные гайки; 6 - стенки камеры подпрессовщика; 7 - бункерные полости с прополисом; 8 - приводной вал вальцов; 9 - натяжное устройство; 10 - пленка для покрытия ячеек вальцов.
Рисунок 9 - Общий вид опытно-производственного образца вальцового пресса с подпрессовщиком для брикетирования прополиса.
Применение подпрессовщика в вальцовом прессе для брикетирования прополиса экономически целесообразно, так как обеспечивает повышение производительности, снижение энергозатрат и получение качественных брикетов. Годовой экономический эффект при оценке по показателю прироста прибыли при обработке 200 кг прополиса составил 1314 рублей, снижение затрат энергии на процесс прессования составило 22%, а повышение производительности - в 1,33 раза.
Общие выводы и РЕКОМЕНДАЦИИ производству
- Анализ научных исследований показал, что технологическая линия по очистке и прессованию прополиса в брикеты несовершенна. Она должна содержать устройство для охлаждения прополиса до температуры -5 Е-10С, измельчитель замороженного прополисового сырья, устройство для рассева измельченного сырья на фракции со средним размером частиц от 1 до 5 мм, пневмосепаратор для отделения механических примесей и воска, а также вальцовый брикетный пресс с устройством для подпрессовки, выполняющим функции дозированной подачи и нагнетания прополиса в ячейки пресса.
- Устройство для дозирования и подпрессовки прополиса должно содержать бункер с расположенной в ней камерой подпрессовщика, ограниченной стенками и образующей загрузочные окна над вальцами для просыпания прополиса, регулируемые по высоте. В камере должен располагаться подпрессовщик клиновидной формы с рабочими поверхностями, повторяющими контур прессующих вальцов, для нагнетания прополиса в ячейки, а его боковые стороны должны выполнять роль затвора при опускании подпрессовщика, а также плоское основание с целью недопущения выхода материала из ячеек при формировании брикета.
- Установлено, что с увеличением гранулометрического состава прополиса, значения коэффициентов трения по органическому стеклу, фторопласту и пленке ПВХ уменьшаются. Наименьшее значение коэффициента трения прополиса - по фторопласту: 0,4021 - статический и 0,2696 - динамический, а наибольшее значение - по пленке ПВХ: 1,837 - статический и 1,189 - динамический. Минимальное значение коэффициента внутреннего трения 1,912 наблюдается у прополиса с размером частиц 2 и 3 мм, что позволяет сделать заключение о проявлении наилучшей сыпучести материала при данном гранулометрическом составе.
- При исследовании адгезионных свойств прополиса установлено, что наибольшей липкостью к различным материалам обладает прополис с размером частиц 0,75 мм. При увеличении крупности частиц липкость уменьшается. Наименьшее значение липкости к прополису 0,27 кПа зафиксировано для фторопласта при среднем размере частиц 4,5 мм.
- Исследования аспирационных свойств прополиса позволили установить, что для получения продукта, соответствующего ГОСТ 28886-90, прополисовое сырье необходимо рассевать на фракции и производить их пневмосепарацию при определенных скоростях. Наибольший выход чистого прополиса при минимальных потерях обеспечивается при очистке фракции со средним размером частиц 2,5 мм при скорости воздушного потока 0,45 м/с.
- Теоретически установлено, что для получения качественных брикетов прополиса при прессовании вальцовым формующим прессом необходимо принудительное нагнетание загруженной порции в ячейки с образованием слоя материала над вальцами. Конечная плотность спрессованных брикетов зависит от величины хода поршня, ширины основания подпрессовщика, свойств прессуемого материала и количества загруженной в зону прессования порции. Изменение давления в различных точках на перемычках матрицы в момент сталкивания с них прессуемого материала подчиняется экспоненциальному закону. Максимальные давления на перемычках приходятся на их центры, как наиболее удаленные точки от граней ячеек. Энергоемкость процесса брикетирования может быть значительно снижена за счет уменьшения площади перемычек и прессования прополиса крупной фракции.
- Экспериментально установлено, что с целью исключения налипания прополиса на матрицу пресса в процессе брикетирования, на поверхность вальцов следует подавать пленку ПВХ типа стретч толщиной 20 мкм. При увеличении плотности брикетов с 942 кг/м3 до 1276 кг/м3 значение энергоемкости возрастает от 3,46 кВтч/кг до 5,48 кВтч/кг. Оптимальным режимом работы вальцового пресса прополиса является: частота вращения прессующих вальцов 8 мин-1, зазор между рабочей поверхностью подпрессовщика и матрицей пресса в стадии подпрессовки, 2 мм. При этом производительность пресса составляет 96 кг/ч, удельная энергоемкость процесса 4,27 кВтч/кг, крошимость брикетов 2,1%, плотность 1150-1170 кг/м3.
- Применение подпрессовщика в вальцовом прессе для брикетирования прополиса, экономически более целесообразно, так как он имеет преимущества по сравнению с базовым вариантом как по основным технико-экономическим показателям, так и по показателям качества готовой продукции. Экономический эффект при брикетировании 200 кг прополиса составил 1314 рублей, а производительность увеличилась на 33,3% по сравнению с базовым вариантом.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
- в изданиях, рекомендованных ВАК:
- Щипачев Т.Н. Обработка прополиса. / Т.Н. Щипачев, В.Ф. Некрашевич М.В. Чурсинов, С.В. Некрашевич // Пчеловодство №10, 2009. - с 56 - 57.
- Щипачев Т.Н. Вальцовый пресс для брикетирования прополиса / Т.Н. Щипачев, В.Ф. Некрашевич, М.В. Чурсинов // Сельский механизатор №12, 2009. - с. 14 - 15.
- в Международных научных изданиях:
- Щипачев Т.Н. Пневмосепаратор для очистки прополиса /Т.Н. Щипачев// Современное пчеловодство. Проблемы, опыт, новые технологии. Материалы Международной научно - практической конференции (Ярославль, 12 - 13 августа 2010). Ярославль 2010 - с. 103Ц105.
- во Всероссийских научных изданиях:
- Щипачев Т.Н. Анализ способов и средств прессования сыпучих материалов в брикеты /Щипачев Т.Н. // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава и молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. Материалы научно практической конференции. Рязань 2009. - стр. 35-37.
- Щипачев Т.Н. Распределение давлений на перемычках ячеек вальцов формующего пресса / Т.Н. Щипачев, В.Ф. Некрашевич // Инновационные технологии и средства механизации в растениеводстве и животноводстве. Материалы Международной научно - практичной конференции, посвященной 75-летию В.Ф. Некрашевича. Рязань 2011 - с. 162 - 165.
- патент:
- Патент № 86529 МПК 7 B30B 11/18. Сборная матрица формующего пресса / Некрашевич В.Ф., Чурсинов М.В., Щипачев Т.Н., Некрашевич С.В., Чепик А.Г. // Заявл. № 2009111210/22; Опубл. 10.09.2009 Бюл. № 25.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям