Технология и машины для уплотнения кормов

Технологии и машины для уплотнения
кормов, прессование кормов, типы рабочих
органов прессов, способы уплотнения кормов.
Реологические свойства уплотненных материалов.

Уплотнение
кормов проводят с целью улучшения их
транспортабельности, более экономного
использования складских помещений и
тары, а также обеспечения лучшей ‘сохранности
питательных веществ и витаминов.

Уплотнением
называется процесс сближения частиц
зернистого и волокнистого материалов
под действиям приложенных внешних сил
с целью повышения его плотности.. Б качестве
готового продукта процесса уплотнения
образуется монолит, который и зависимости
от его конечной плотности и вязкости
может сохранять свою форму под влиянием
внутренних сил сцепления или внешних
реакций от ограничивающих элементов
(обвязка, стенки емкости).

Уплотнение
кормов осуществляется следующими способами:
сжатием, скручиванием, виброутряской,
экструзией, окатыванием.

Процесс
уплотнения сжатием в закрытой кошере
в технике принято называть прессованием.
В зависимости от требуемой плотности
монолита в результате прессования стебельных
кормов полу чают тюки (плотность 120-160
кг/м3), требующие обвязки, или брикеты
(плотность 600-900 кг/м3) , сохраняющие свою форму без обвязки.
При прессовании комбикормов или травяной
муки получают гранулы (плотность 1200-1300
кг/м3). Плотность рыхлого сухого сена
составляет 40-5С кг/м3.

Классификация
способов уплотнения стебельных кормов
прессованием может быть сделана по их
исходным характеристикам и виду конечных
продуктов (табл. 1). при этом различают
способы прессования в тюки (обычные или
повышенной плотности), рулоны или жгуты,
брикеты и гранулы.

Кроме того,
способы прессования различают в зависимости
от значений приложенного давления: прессование
без связующих добавок при малых давлениях
(15-20 МПа); прессование без связующих веществ
при высоких давлениях (30-35 МПа); прессование
с присадкой связующих веществ при малых
давлениях (5-10 МПа).

Из таблицы
1 видно, что наиболее совершенными способами
прессования являются брикетирование
и гранулирование, позволяющие получить
наиболее высокую степень уплотнения.

Физическая
сущность прессования сводится к сближению
и сцеплению частиц твердой фазы, т.е. к
уплотнению и упрочнению разрыхленной
массы корма путем механического давления.

В качестве
характеристики брикетируемости (гранулируемости)
корма служит степень уплотнения λупл, представляющая собой отношение
объема V порции материала до прессования
к объему Vк полученного брикета. При уплотнении
в камере с постоянной площадью поперечного
сечения будет справедливо выражение

      (1.1)

где h и hк – высота слоя до и после прессования
в камере постоянного сечения.

Если плотность
рыхлого материала обозначить через ρo (кг/м3) в плотность полученного монолита
О ( кг/м^), то степень уплотнения.

     (1.2)

где М – масса
брикета, кг.

На эффективность
процесса уплотнения растительных материалов
большое влияние оказывает форма связи
влаги с частицами. При этом важнейшее
значение имеет не только абсолютное количество
(влажность), но и состояние, в котором
она находится. Классификация форм связи
воды с веществом растительных материалов
разработана академиков П.А. Ребиндером,
она учитывает необходимое количество
энергии, расходуемой на процесс обезвоживания.
Основные формы связи воды с материалом
следующие: химические, физико-химические
и механические.

Механическая
связь воды с материалом является наименее
прочной и характеризуется неопределенностью
количественных соотношений. Сюда относятся
капилярная влага и влага смачивания,
обладающие свойствами обычной воды.

2.
Реологические свойства уплотняемых 
кормов

2.1.
Объемные структурно-механические 
свойства

Исходные
свойства материалов, особенно структурно-механические,
оказывают решающее влияние на выбор конструктивных
параметров оборудования. По виду приложения
усилий или напряжений к перерабатываемому
материалу эти свойства делят на три группы:
объемные, поверхностные и сдвиговые.

Объемные
свойства определяют поведение объема
тела при воздействии на него нормальных
напряжений в замкнутой форме или между
двумя пластинами. К их числу относятся
плотность, порозность, пористость и др.

2.2
Поверхностные свойства

Поверхностные
свойства характеризуют поведение поверхности
тела на границе раздела с другими твердыми,
материалами при воздействии нормальных
(адгезия) и касательных (внешнее трение)
напряжений. Эти свойства выражаются различными
видами трения – внешнего и внутреннего.

Прессование
кормов в камере непосредственно связано
с перемешиванием частиц под влиянием
действующих внешних сил и преодолением
сил трения.

Таблица 1

Классификации
способов прессования кормов

В момент
начала движения материала (его сдвига)
возникает трение (трение в покое), величина
которого характеризуется статическим
коэффициентом трения (ƒс), а при движении – динамическим
(ƒс), или трением в движении.

В начальный
период движения частиц с малыми скоростями
большое влияние на величину трения оказывает
вязкие деформации, при которых частицы,
сжимаясь и сгибаясь, способствуют образованию
неровностей поверхности сдвига. Повышение
скорости перемещения частиц снижает
влияние вязких деформаций» и сила трения
в этом случае зависит от соотношения
между приростом количества частиц, сталкивающихся
в единицу времени, и прочностью сцепления
каждой из них. При этом число частиц, сталкивающихся
в единицу времени, возрастает однако
прочность их сцепления в следствии ничтожно
малого времени соприкосновения уменьшается,
суммарная сила и коэффициент трения снижаются.

2.3.
Реологические свойства и моделирование 
этих свойств

При уплотнении
кормов протекают процессы деформации,
возникающие в частицах, из которых формируется
твердое тело (монолит).

Внутренний
механизм деформационных процессов дисперсных
систем, в том числе и вязкопластичных
материалов, изучает реология – наука о
деформации и течении различных тел.

Известны
три реологические модели идеализированных
свойств реальных материалов: модель идеального
упругого тела (тело Гука), изображаемая
в виде пружины; модель идеального пластичного
тела (тело Сен-Бенана), изображаемая в
виде пары скольжения, и модель идеально
вязкого тела (тело Ньютона), изображаемая
в виде цилиндра с вязкой жидкостью, в
котором перемешивается поршень с калиброванными
отверстиями в его дне.

Соединяя
последовательно и параллельно элементы,
имитирующие разные свойства, можно получить
модели многих весьма сложных тел и проследить
за протеканием них деформационных процессов.

Так, в результате
исследования процесса гранулирования
травяной муки прессованием установлено,
что в ходе уплотнения можно отметить
^и этапа. На первом из системы вытесняется
воздух, деформация муки происходит при
ничтожно малых нагрузках. После снятия
нагрузки деформации не снимаются. Второй
этап характеризуется интенсивным развитием
упруго-пластических деформаций и быстрым
увеличением давления прессования. На
третьем этапе сжимается уже сформированный
монолит, в котором преобладают упругие
деформации при резко возрастающем давлении.
После снятия нагрузки деформации снимаются
с некоторым запаздыванием во времени,
что связано с наличием упругого последействия.

Для описания
процессов гранулирования травяной муки
Г.Я. Фарбман предложил трехзвенную реологическую
модель (рис. 1) в которой первый этап прессования
моделируется пружиной Е1 малой жесткости (тело Гука) с защелкой
на конце, второй этап – звеном, состоящим
из соединенных параллельно тел Ньютона
(η1) и Сен-Венана (GТ). Первое и второе звено вместе
составляют уруговязкопластическое тело
Бингмана. Деформации в таком теле после
снятия нагрузки не исчезают, в нем сохраняются
остаточные напряжения. Третий этап моделируется
звеном (тело Кельвина) состоящим из соединенных
параллельно тел Ньютона (η2) и Гука (Е2).

Представленная
модель позволяет рассмотреть весь процесс
сжатия материала, суммарная деформация
которого составит

     (2.1)

При уплотнении
в материале накапливается потенциальная
энергия упругих деформаций, поэтому после
снятия давления происходит упругое расширение,
преимущественно в направлении прилагавшегося
давления.

При изучении
реологических свойств прессуемого материала
рассматривают следующие основные показатели.

Напряжение
– это мера внутренних сил, возникающих
в твердом или твердообразном теле под
действием приложенных к нему внешних
воздействий (сил, температур и др.).

В толще
сыпучего материала под влиянием массы
лежащих выше слоев, а также приложенной
внешней силы возникают нормальные напряжения
сжатия δ среза
, или
касательные. При прессовании материала
вдоль оси канала действует осевое усилие
Ро прессования, которое на единицу
площади Sк поперечного сечения канала оказывает
осевое давление Р = Ро/Sк (Па).

Деформация
– это относительное смещение частиц, при
котором не нарушается непрерывность
самого тела, т.е. сплошность среды. Способность
деформироваться под действием внешних
сил – основное свойство всех реальных
тел.

Деформация
сопровождается возникновением внутренних
сил взаимодействия между частицами тела.
Мерой интенсивности внутренних сил упругости
является напряжение. Напряженное состояние
в любой произвольно выбранной точке тела
определяется напряжением в трех взаимно
перпендикулярных плоскостях, проходящих
через эту точку.

Всестороннее
неравномерное сжатие осуществляется
так» что в стадии упругих деформаций
за счет наличия нор и пустот между частицами
происходит поперечное удлинение любого
элемента монолита, в результате возникают
касательные напряжения сдвига. Напряжение
сдвига равно отношению силы, действующей
в плоскости сдвига, к площади поверхности
сдвига, Минимальная сила, необходимая
для осуществления сдвига, определяется 

Рис.
1. Схема реологической модели процесса
прессования травяной муки (по Г.Я. Фарбману).

предельным
напряжением
о сдвига
(предел текучести).

Вязкость
материала – это отношение напряжения
сдвига к скорости сдвига. Вязкость является
мерой сопротивления сдвигу, возникающему
при вязкопластическом течении, и оценивается
динамическим коэффициентом вязкости

      (2.2)

где
– градиент
скорости.

Релаксацией
называется процесс постепенного уменьшения
(рассасывания) действующих напряжений
до нуля или до какой-нибудь величины при
неизменяющейся во времени деформации.
В.И. Особов показал, что процесс релаксации
клеверо-тимофеечного сена можно условно
разделить на две стадии: первую, когда
снижение напряжений происходит быстро,
и вторую, когда напряжение затухает медленно.
Подразделение на стадии имеет практическое
значение при организации рабочего процесса
пресса, в каналах которого материал может
находится ограниченное время. По данным
И.А.Долгова, различие в кривых релаксации
разных сеносоломистых материалов незначительно
и снижение напряжений составляет 33-37%
от Рмах.

Ползучесть
– свойство, противоположное релаксации,
т.е. постепенное нарастание во времени
суммарной деформации при сохранении
постоянного напряжения.

Более полное
представление о развитии деформаций
во времени дают кривые кинетики ε=ƒ(t),
полученные при напряжениях превышающих
предел текучести (
>
T) при
нагрузке? и продолжающееся после ее: снятия.
Наблюдения показывают, чем меньше начальная
плотность материала, тем больше проявляются
явления ползучести.

3.
Рабочий процесс грануляторов и
брикетировщиков кормов

3.1.
Технологические операции в процессе 
уплотнения кормов прессованием

Технологический
процесс уплотнения кормов сухим способом
состоит из следующих основных последовательно
осуществляемых операций: кондиционирования
сырья, подачи материала в пресс и распределения
его по рабочей поверхности матрицы, прессования
материала и охлаждения готовых монолитов.

Кондиционирование
исходных сыпучих материалов производится
с целью направленного изменения их структурно-механических
свойств (плотность, вязкость и др.) и физического
состояния (влажность, температура) путем
воздействия на частицы водой и теплом,
а также введения связующих веществ (меласса,
жиры и др.), повышающих прочность гранул
или брикетов. При этом кондиционирование
как обязательную операцию, связанную
с уплотнением, не следует отождествлять
с операцией смешивания’, которая нередко
проводится перед уплотнением с целью
обогащения рациона питательными веществами.

Подача
подготовленного материала на прессование
и распределение его по рабочей поверхности
матрицы является важнейшей технологической
операцией. Равномерность доз подаваемого
материала предопределяет и равномерное
распределение его под прессующие вальцы
и по рабочей поверхности матрицы. Применяют
два способа подачи материала в пресс:
самотечный и принудительный.

Самотечный
способ наиболее распространен при гранулировании
сыпучего сырья и представляет собой свободное
истечение материала из смесителя – кондиционер»
в приемное устройство. Приемное распределительное
устройство состоит из приемника конической
или цилиндрической формы и распределительных
направляющих лопаток. Такой способ подачи
и распределения материала между вальцами
и по рабочей поверхности матрицы носит
случайный характер и зависит от множества
факторов. Принудительный способ обеспечивает
наиболее равномерное распределение материала
при прессовании за счет индивидуальной
его доставки к каждой прессующей паре
шнековыми питателями. Этот способ требует
усложнения конструкции пресса и применяется
на брикетировщиках повышенной производительности.