Гранулирование и брикетирование кормов типы машин и оборудования

Затраты энергии на образование гранул и брикетов существенно зависят как от физико-механических свойств кормов, так и от типа рабочего органа, осуществляющего этот процесс. Для проектирования брикетных прессов и грануляторов необходимо знать основные закономерности процесса прессования.
Рабочие органы машин для гранулирования и брикетирования кормов
Основной узел брикетного пресса или гранулятора — прессующий рабочий орган, предназначенный для непосредственного сжатия корма с целью получения гранул или брикетов. Рабочие органы для брикетирования и гранулирования кормов можно разделить на четыре группы: вальцовые, шнековые, штемпельные (плунжерные) и матричные (рис. 1, а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к).
Вальцовые рабочие органы работают по принципу прокатки. Они представляют собой пару вращающихся один навстречу другому цилиндрических вальцов, захватывающих прессуемый материал и уплотняющих его между собой в бесконечную ленту. Если поверхность вальцов гладкая, то необходимо дополнительное устройство для разделения ленты на отдельные брикеты. Однако эту операцию можно осуществлять и во время брикетирования, для чего один или оба вальца снабжают острыми зубьями (см. рис. 1, а). Захватывающая способность вальцов при этом повышается.
Энергоемкость вальцовых рабочих органов меньше энергоемкости других, однако попытка их практического применения успеха не имела из-за следующих причин. Для получения большой степени уплотнения корма, которое имеет место при брикетировании, необходимы вальцы очень больших диаметров, что приводит к высокой материалоемкости конструкции. Многоступенчатое уплотнение несколькими парами вальцов позволяет применять вальцы малых диаметров, но при этом усложняется конструкция. Для получения брикетов одинаковой плотности подача материала на один оборот вальца должна быть постоянной, что является трудноосуществимой задачей.
И последнее, вальцовый рабочий орган может обеспечить необходимую для получения качественных брикетов выдержку спрессованного материала под давлением только при очень низких скоростях вращения вальцов, что ведет к снижению производительности пресса.
Шнековые рабочие органы осуществляют брикетирование цилиндрическим (см. рис. 1,б) или коническим (см. рис. 1, в) шнеком в открытой прессовальной камере. Шнеки могут быть с постоянным или переменным шагом. Несмотря на простоту конструкции, данные рабочие органы промышленной реализации не получили из-за большой энергоемкости процесса и низкой производительности.

Рис. 1. Рабочие органы для гранулирования и брикетирования кормов: а — вальцовые; б — шнековые цилиндрические; в — шнековые конические; г — штемпельный с открытой прессовальной камерой; д — штемпельный с закрытой прессовальной камерой; е, ж, з – с кольцевой матрицей; и, к — с плоской матрицей; 1 — загрузочное окно; 2 — прессовальный канал; 3— штемпель; 4 — упор; 5 — рабочая зона;
6 — валец; 7 —матрица.

В таких прессах 85% энергии затрачивается на преодоление трения прессуемого материала о поверхность шнека и стенки корпуса, что вызывает интенсивный износ их и нагрев корма до высокой температуры.
Практическое применение в конструкциях прессов и грануляторов для брикетирования и гранулирования кормов получили только штемпельные (плунжерные) и матричные рабочие органы. В штемпельных процесс брикетирования осуществляется возвратно-поступательно движущимся штемпелем (плунжером) в прессовальном канале открытого или закрытого типа.
В открытом канале рабочий процесс происходит следующим образом. Корм через загрузочное окно 1 (см. рис. 13, г) подается в прессовальный канал 2, где сжимается штемпелем 3. При достижении усилия, превышающего силу трения спрессованного материала о стенки канала, материал выталкивается с последующим разделением на отдельные брикеты. Таким образом, противодавление здесь создается в результате трения спрессованного материала о стенки канала.
Канал условно можно разделить на две части: первую длиной L, где корм уплотняется, и вторую L1, где находятся порции корма, спрессованные ранее. Первая часть канала называется каналом уплотнения, вторая — каналом сопротивления. Регулируя поперечное сечение последнего на выходе, можно изменять сопротивление передвижению спрессованного материала и тем самым плотность брикетирования.
В закрытом прессовальном канале процесс брикетирования происходит так (рис. 1,д). Материал, поданный через загрузочное окно в канал уплотнения 2, сжимается между штемпелем 3 и упором 4. При достижении штемпелем крайнего, положения (продвижения его на величину S) формируется брикет, который выталкивается из канала следующим ходом штемпеля при отведенном упоре. Работа выталкивания при этом значительно меньше, чем при прессовании в открытом канале, что является значительным преимуществом. Однако, несмотря на меньшую энергоемкость, закрытые каналы в промышленных конструкциях брикетных прессов применения не нашли. Объясняется это тем, что для получения брикетов равной плотности необходима строго одинаковая подача материала на каждый ход штемпеля, осуществление которой является задачей чрезвычайно сложной. Кроме того, выдержка брикетов под давлением в таком канале мала, что ухудшает их качество.
В промышленных конструкциях брикетных прессов реализованы штемпельные рабочие органы с открытым прессовальным каналом. Такие рабочие органы обеспечивают минимальное дробление прессуемого материала, выдержку брикетов под давлением более длительное время, а следовательно, получение брикетов лучшего качества из различных кормов. Энергоемкость процесса прессования у них сравнительно невелика,

Рис. 2. Схема прессования в кольцевом матричном рабочем органе:
1— корм; 2 — матрица; 3 — нож; 4—канал; 5—валец

Основной недостаток штемпельных брикетных прессов — ограниченная производительность, зависящая от числа ходов штемпеля, числа прессовальных каналов и площади их поперечного сечения. Производительность их, кроме того, ограничивается временем пребывания спрессованного материала в канале, которое должно быть не меньше времени, необходимого для релаксации напряжений в нем. Материалоемкость штемпельных прессов более высокая, чем матричных. Следует также отметить, что подача материла с малой объемной массой в канал уплотнения таких прессов затруднена.
Наибольшее применение в машинах для гранулирования и брикетирования кормов получили матричные рабочие органы,, состоящие из матрицы с прессовальными каналами и прессующих вальцов (см. рис. 1, е). Процесс уплотнения в таком рабочем органе происходит следующим образом (рис. 2).  Поданный в рабочую зону 1, образованную внутренней поверхностью матрицы 2 и наружной поверхностью вальца 5, материал 1 вначале сжимается, а затем вдавливается в каналы 4. По мере их заполнения сопротивление продвижению материала увеличивается, в связи с чем давление прессования возрастает и достигает максимального значения при полностью заполненных каналах.
Как только давление прессования становится равным силе трения спрессованного материала о стенки каналов, он выталкивается. При встрече с ножом 3 спрессованный материал разделяется на отдельные гранулы или брикеты.
В отличие от штемпельного рабочего органа в матричном корм уплотняется не в канале прессования, а между сближающимися поверхностями вальца и матрицы. Противодавление здесь создается трением спрессованного корма о стенки канала и площадки (перемычки) на внутренней поверхности матрицы между каналами.
Таким образом, прессовальные каналы в матрице выполняют роль каналов сопротивления в штемпельных прессах. Их длина должна обеспечивать достаточное противодавление для получения гранул или брикетов заданной плотности, а также выдержку спрессованного корма под давлением в течение времени,
необходимого для релаксации напряжений. В противном случае из-за упругого последействия при выходе из каналов гранулы и брикеты окажутся непрочными.
С перемычек, суммарная площадь которых у брикетных прессов составляет до 25 %, а у грануляторов 50 % всей площади рабочей поверхности матрицы, материал сталкивается в каналы вращающимся вальцом. Это сопровождается интенсивным трением, повышением температуры корма, износом матрицы, повышенными затратами энергии.
Величина зазора между матрицей и прессующими вальцами должна быть 0,1 … 0,8 мм. Больший зазор нежелателен, так как ведет к уменьшению производительности брикетных прессов  и грануляторов и повышению их энергоемкости.
Основные преимущества матричных прессов — непрерывность процесса, отсутствие знакопеременных нагрузок, меньшая материалоемкость. Большое количество прессовальных каналов в матрице обеспечивает достаточную пропускную способность пресса. Недостатки матричных прессов — высокая энергоемкость процесса, дробление уплотняемого материала, повышенные требования к прессуемому материалу по однородности измельчения я равномерности влажности, сложность изготовления матриц, высокий нагрев подшипниковых узлов вальцов.
Матричные прессы могут быть как с кольцевой (см. рис. 1, е,  ж, з), так и с плоской матрицей (см. рис. 1, и, к). Кольцевые •матрицы можно устанавливать горизонтально и вертикально, •плоские матрицы — только горизонтально.
Кольцевые матрицы могут вращаться или быть неподвижными. В прессах с вращающейся матрицей прессующие вальцы •устанавливают на неподвижных осях. Вращающиеся матрицы применяют для гранулирования кормов. Сечение прессовальных каналов круглое, с диаметром от 3 до 25 мм.
При брикетировании кормов предпочтение отдается неподвижным матрицам, имеющим прессовальные каналы прямоугольного сечения. Сопротивление каналов в этом случае можно регулировать изменением их длины или площади поперечного сечения. Это позволяет брикетировать корма с различными физико-механическими свойствами.
При брикетировании кормов на прессах с неподвижной матрицей уменьшается крошимость брикетов, поскольку отсутствуют центробежные силы, под действием которых на прессах •с вращающейся матрицей брикеты крошатся от ударов о кожух пресса. На брикетных прессах с неподвижной матрицей прессующие элементы установлены на вращающемся водиле.
Достоинством прессов с вертикальными кольцевыми матрицами является возможность быстрой и легкой смены матрицы и вальцов. Кольцевые матрицы могут иметь различные прессующие элементы, отличающиеся захватывающей способностью прессующей пары.
Матричные прессы делятся на прессы со скользящими прессующими элементами и с вращающимися прессующими элементами, получившими наибольшее распространение.
Достоинство прессов первой группы (см. рис. 1, ж)— возможность применения большого количества прессующих элементов, а недостаток—интенсивное трение прессующего элемента, приводящее к резкому возрастанию энергоемкости процессов гранулирования и брикетирования и быстрому износу прессующей пары.
Прессы с вращающимися прессующими элементами (см. рис. 1, е) подразделяются на прессы со свободно вращающимися вальцами, установленными на неподвижных осях, и с принудительно вращающимися. Свободно вращающиеся прессующие вальцы могут быть гладкими и с рифленой боковой поверхностью. Вращаются вальцы за счет сил трения материала относительно внутренней поверхности матрицы и боковой поверхности вальцов. Захват и запрессовка корма роликами с гладкой рабочей поверхностью осуществляются недостаточно эффективно, так как часть слоя не захватывается роликом, а толкается им.
В ряде конструкций прессовальные каналы располагаются под некоторым углом к радиусу матрицы, что улучшает проталкивание корма через прессовальные каналы, но затрудняет изготовление матрицы.
С целью увеличения производительности предлагались двух- матричные рабочие органы (см. рис. 1, з), состоящие из наружной матрицы, внутри которой размещена внутренняя матрица. Корм, поданный в прессующий узел между матрицами, сжимается и затем проталкивается в прессовальные каналы внутренней и наружной матриц. Однако из-за сложности конструкции такие грануляторы широкого применения не получили.
Определенный интерес представляют конструкции брикетных прессов, в которых для повышения захватывающей способности вальцы выполнены с рифленой, волнистой или насеченной боковой поверхностью. Такие поверхности способствуют уменьшению проскальзывания материала и, как следствие, повышению производительности пресса за счет увеличения коэффициентов трения. Однако наряду с положительными качествами они имеют и ряд недостатков. Быстрое изнашивание выступов приводит к  увеличению зазора между вальцом и внутренней боковой поверхностью матрицы, что повышает скольжение материала и снижает производительность пресса.
Плоские матрицы применяют для гранулирования кормов.. Прессующие вальцы таких грануляторов могут быть цилиндрическими или коническими. Окружные скорости цилиндрических вальцов (см. рис. 1, и) на внутренних и внешних окружностях неодинаковы, что вызывает неравномерный интенсивный износ матрицы и вальцов, измельчение корма и повышенную энергоемкость процесса.
Окружные скорости конических вальцов (см. рис. 1, к) в центре и на периферии одинаковы, но из-за разности диаметров вальца захватывающая способность его по длине неодинакова, что приводит к потере производительности пресса ввиду неравномерной подачи материала по площади матрицы и к неравномерному ее износу.
У одних конструкций прессов с плоской матрицей во вращение приводится водило с вальцами, а матрица неподвижна, у других вращается матрица, а оси вальцов неподвижны. Число оборотов матрицы ограничено, так как при его увеличении материал под действием центробежных сил располагается по ее периферии, а центральная часть матрицы остается незагруженной, что снижает производительность пресса.
Большое значение для рабочего процесса брикетных прессов и грануляторов имеют системы подачи корма к рабочим органам: гравитационные, в которых материал подается в камеру прессования под действием силы тяжести, и принудительные, где материал подается различными устройствами.
Гравитационные системы подачи корма применяют у брикетных прессов с горизонтальными кольцевыми или плоскими матрицами. Они отличаются простотой загрузки, однако не обеспечивают равномерного распределения материала по ширине матрицы, так как под действием силы тяжести он собирается в нижней части кольцевой матрицы, установленной горизонтально. Последнее вызывает неравномерный износ матрицы.
При принудительной подаче материала усложнена конструкция пресса, однако более стабилен технологический процесс, особенно при брикетировании травяной резки, склонной к зависанию.
Принудительная подача корма к рабочим органам применяется в штемпельных прессах, прессах с вертикальными кольцевыми матрицами, а также в брикетных прессах с горизонтальной неподвижной кольцевой матрицей.
В принудительных системах подачи материал подается в питатель, имеющий шнековый или лопастной рабочий орган, которым он транспортируется в прессовальную камеру. Для подачи травяной муки и комбикорма служат лопастные питатели, а травяной или соломенной резки — шнеки.
В прессах непрерывного действия по сравнению с прессами периодического действия процесс прессования корма протекает при более благоприятных условиях. Время прессования при одной и той же производительности в матричных прессах больше, чем в штемпельных.
Для гранулирования травяной муки, комбикормов и других подобных материалов в нашей стране выпускают грануляторы ОГМ-ОБА, ОГМ-1,5, ДГ-1. Из зарубежных конструкций можно назвать грануляторы фирм: «Бюлер» (Швейцария), «Матадор» (Дания), «Саймон Бэрон» (Англия).