WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Интенсификация технологических процессов приготовления комбикормов в условиях сел ь скохозяйственных предприятий

На правах рукописи

УДК 631.363.636.(043.3)

САБИЕВ Уахит Калижанович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМБИКОРМОВ

В УСЛОВИЯХ СЕЛьСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.20.01 – «Технологии и средства

механизации сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Барнаул – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный

университет им. П.А.Столыпина»

Научный консультант: Федоренко Иван Ярославович,

доктор технических наук, профессор

(ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»)

Официальные оппоненты: Новоселов Александр Леонидович, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»)

Сергеев Николай Степанович, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»)

Фоминых Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Курганская сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева»)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 29 марта 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, РФ, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина,46, тел/ факс (3852) 36-71-29,

http: www.altstu.ru; ntsc@ desert.secna.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.004.02.

Автореферат разослан «22»февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.004.02,

доктор технических наук, профессор Л.В.Куликова

Актуальность работы. Национальный проект России в области сельского хозяйства предусматривает интенсивное развитие животноводства.

В общем процессе производства продукции животноводства на долю кормов приходится более половины затрат.

Научными исследованиями и практикой доказано, что от качества комбикормов во многом зависит повышение продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы. Скармливание зернофуража в виде дерти малоэффективно и экономически необоснованно. Простые кормовые смеси из нескольких видов зернофуража, сбалансированные по составу, дают значительно больший эффект, чем простая дерть, приготовленная из одной культуры.

Полноценные комбикорма, сбалансированные по основным элементам питания, микроэлементам и витаминам, оказываются на 25 – 30 % эффективнее обычных зерновых кормов. Фуражное зерно можно переработать в комбикорма, развивая собственное комбикормовое производство непосредственно в хозяйствах. Это позволяет сокращать издержки на закупку сырья, его транспортировку, более рационально использовать зернофураж, дорогостоящие БВД и непрерывно обеспечивать коллективные, крестьянские (фермерские) хозяйства собственными комбикормами. Поэтому производство комбикормов непосредственно в местах потребления становится условием рентабельного ведения отрасли животноводства.

В то же время анализ исследований и практика показывают, что производство комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий на более качественном уровне не представляется возможным из-за низкого качества выполнения обязательных типовых процессов обработки сырья (очистка, измельчение, дозирование, смешивание), которые и определяют технологическую эффективность всего производства комбикормов. Кроме того, в настоящее время отсутствуют эффективные технологии и технические средства, интенсифицирующие процесс приготовления концентрированных кормов к скармливанию животным в условиях сельскохозяйственных предприятий.

На основании изложенного можно констатировать, что улучшение технико-экономических показателей кормоприготовительной техники на основе вибрационного и ударного воздействия на кормовые материалы и создание новых технологических процессов и рабочих органов интенсифицирующего действия является актуальной проблемой в области механизации приготовления кормов, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Проблемность ситуации заключается в том, что, с одной стороны, в условиях сельскохозяйственных предприятий необходимо заниматься приготовлением комбикормов непосредственно на местах потребления с возможностью рационального использования собственного зернового сырья и покупных БВД с целью снижения себестоимости, энергоемкости и повышения качества приготовляемого комбикорма, с другой стороны, существующие знания о взаимосвязи и закономерностях функционирования отдельных операций технологических процессов приготовления комбикормов, имеющаяся техническая база не позволяют достичь перечисленных показателей эффективности процесса, характерных для крупных комбикормовых предприятий. Выход из этой ситуации видится в существенной интенсификации основных технологических процессов приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

Научная гипотеза. Повышение эффективности процессов приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий может быть достигнуто на основе использования вибрационного и ударного воздействия на сыпучие кормовые материалы путем создания новых рабочих органов интенсифицирующего действия, осуществляющих сепарацию (очистку), измельчение, дозирование и смешивание компонентов комбикормов.

Выявление закономерностей и зависимостей, характеризующих выше указанные процессы, позволит обосновать параметры технологических процессов и технических средств, обеспечивающих существенное повышение качества приготовляемых комбикормов и значительное снижение энергоемкости их производства.

Диссертация выполнена в соответствии с Федеральной программой по научному обеспечению АПК РФ «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» (шифр программы 01.02), а также в соответствии с тематическим планом НИР ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А.Столыпина.

Цель исследований. Повышение эффективности приготовления сыпучих кормовых смесей в животноводстве путем обоснования и создания перспективных рабочих органов кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия при производстве комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

Объект исследований. Прогрессивные технологические процессы приготовления сыпучих комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

Предмет исследований. Закономерности, условия и режимы осуществления технологического процесса перспективными рабочими органами кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия для сепарации (очистки), измельчения, дозирования и смешивания компонентов комбикормов.

Методы исследований. Общей методологической основой исследований являлись использование системного подхода, математической статистики, вычислительного эксперимента. Теоретические исследования выполняли с использованием положений, законов и методов классической механики, математики, математического моделирования. Предложенные кормоприготовительные машины интенсифицирующего действия (для сепарации, измельчения, дозирования и смешивания) исследовали в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками. Обработку экспериментальных данных проводили методами математической статистики с использованием программных продуктов Statistica, MathCAD, Excel. При изучении сложных процессов вибрационной обработки сыпучих кормов, протекание которых зависит от большого числа факторов, использовались методы планирования многофакторных экспериментов. Достоверность положений работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также показателями производственных испытаний.

Научную новизну представляют:

– математическая модель повышения эффективности кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия;

– закономерности и зависимости по обоснованию рациональных режимов работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров рабочих органов кормоприготовительных машин (сепарации, измельчения, дозирования и смешивания), обеспечивающих существенное повышение качества приготовляемых комбикормов и значительное снижение энергоемкости их производства.

– математические модели процессов сепарации зерна, измельчения, дозирования и смешивания;

– закономерности изменения эффективных коэффициентов трения между обрабатываемым материалом и шероховатой вибрирующей поверхностью;

– математическое описание эффекта управляемого (по требуемому направлению) хрупкого разрушения зерновок при защемленном ударе лезвием в измельчителе ударного принципа действия.

Новизна технических решений подтверждена 16 авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.

Практическая значимость работы. Разработана методика расчета эффективности функционирования кормоприготовительных машин, учитывающих приготовление комбикормов непосредственно в условиях сельскохозяйственных предприятий из сырья собственного производства и покупных добавок.

Обоснованы рациональные конструктивно-технологические параметры рабочих органов кормоприготовительных машин: (плоских решет с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом, интенсифицирующие процесс сепарации зерна); ударного измельчителя с новыми измельчающими элементами, использующие эффект защемленного удара по зерновке лезвием (при измельчении зернофуража); вибродозатора, рабочий орган (лоток) которого совершает продольные колебания по негармоническому закону, при которых движение частиц корма происходит с постоянной средней скоростью, что является технологической основой для получения малой погрешности дозирования при кормоприготовлении; вибросмесителя с перемешивающими элементами конической формы,при этом выявлена взаимосвязь их размеров с производительностью, энергоемкостью и качеством выполнения технологических процессов.

Рекомендации по созданию и применению рабочих органов кормоприготовительных машин, их конструктивно-технические схемы предлагаются для широкого внедрения в практику кормоприготовления.

Результаты исследований могут быть использованы проектными институтами, КБ, сельхозтоваропроизводителями, учебными заведениями при проектировании и эксплуатации машин по производству комбикормов, а также при подготовке специалистов для агропромышленного комплекса.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты научно-исследовательской работы рекомендованы Министерством сельского хозяйства и продовольствия Омской области к внедрению сельскохозяйственными предприятиями области. Разработаны исходные технические требования на измельчители, дозаторы, смесители и рекомендации по серийному производству решет с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси решета на предприятии «Омскхлебопродукт-сита». Решета с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси, внедрены в ОАО « Учхоз № 1» Омского района Омской области.

Опытный образец измельчителя прошел производственную проверку в ЗАО «Оглухинское» Крутинского района и в КФХ «Виктория» Кормиловского района Омской области. Вибрационный смеситель с перемешивающими элементами конической формы внедрен в ОПХ им. Фрунзе Тарского района Омской области. Разработанная конструкция вибродозатора сыпучих кормов прошла производственную проверку в качестве дозирующего устройства мобильного кормораздатчика для нормированной раздачи концентрированных кормов и внедрена на молочном комплексе учебного хозяйства № 2 Омского СХИ ( ныне ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П. А. Столыпина). Рабочие чертежи и методика проектирования вибродозатора сыпучих кормов приняты к внедрению опытным проектно-конструкторским бюро НИИСХ Северного Зауралья (г. Тюмень) и Алтайским научно-исследовательским и проектно-технологическим институтом животноводства (г. Барнаул).

Рабочие чертежи и рекомендации заложены в фонды Омского и Челябинского ЦНТИ. По запросам организаций рассылаются чертежи:

– решет с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси, которые интенсифицируют процесс сепарации (очистки) зерна;

– ударного измельчителя с новыми измельчающими элементами, использующие эффект защемленного удара по зерновке лезвием при измельчении зерновых культур;

– вибрационного дозатора как самостоятельной машины в поточных линиях кормоцехов по приготовлению комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий;

– вибрационного смесителя с перемешивающими элементами конической формы;

– вибрационного дозатора в качестве дозирующего устройства мобильного кормораздатчика для нормированной раздачи концентрированных кормов.

Результаты исследований нашли отражение в опубликованных монографиях, учебных пособиях с грифом МСХ РФ и УМО по агроинженерным специальностям.

Лабораторные установки для изучения рабочих органов интенсифицирующего действия используются в учебном процессе при проведении практических и лабораторных занятий, выполнении выпускных квалификационных работ, освоении дисциплин «Механизация и технология животноводства», «Машины и оборудование в животноводстве», «Механизация, электрификация и автоматизация животноводства» в ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А.Столыпина.

Некоторые результаты исследований используются в учебном процессе других сельскохозяйственных вузов СФО РФ (НГАУ, АГАУ, БСХА и др.).

На защиту выносятся:

– математическая модель повышения эффективности работы кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия;

– закономерности изменения эффективных коэффициентов трения между обрабатываемым материалом и шероховатой вибрирующей поверхностью;

– математическое описание эффекта управляемого (по требуемому направлению) хрупкого разрушения зерновок при защемленном ударе лезвием в измельчителе ударного принципа действия;

– теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров кормоприготовительных машин:

для процесса сепарации:

– математическая модель относительного движения зерна по решету с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси, с учетом взаимодействия с гранями отверстия;

– вероятность прохода частицы через отверстие для наиболее характерных случаев расположения зерновки на решете с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси;

для процесса измельчения:

– математическая модель движения измельченного зерна в канале второй и последующих ступеней измельчителя ударного принципа действия, учитывающая разрушение зерновок защемленным ударом лезвием;

для процесса вибродозирования:

– математическая модель процесса дозирования сыпучих кормов;

–эффективный коэффициент трения, зависящий не только от параметров вибрации, но и наклона лотка вибродозатора ;

для процесса вибросмешивания:

– математическая модель процесса смешивания, описывающая движение частиц сыпучей среды;

– обоснование геометрических параметров конических поверхностей виброконтакта и высоты слоя корма;

– результаты количественной, качественной и энергетической оценки выполнения технологических процессов сепарации, измельчения, дозирования и смешивания кормов в зависимости от режимов работы и параметров соответствующих рабочих органов кормоприготовительных машин;

– рациональные режимы работы и оптимальные конструктивно-технологические параметры рабочих органов кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия для сепарации, измельчения, дозирования и смешивания комбикормов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Омского ГАУ в период с 1986 по 2011 г.г.; на научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (ЧГАУ) (с 1986 по 1988 г.г., 1990 г., 2001 г.), научно-практической конференции КазСХИ (г. Алма-Ата, 1987 г.), республиканской научно-практической конференции молодых ученых Казахской ССР (г. Кустанай, 1988 г.). Вибрационный дозатор демонстрировался членам НТС Госагропрома РСФСР на выездном заседании 4 июня 1987 г. в ЧИМЭСХ; удостоен диплома III степени на выставке-ярмарке научно-технических идей «Агропром-88» (г. Челябинск, 14 – 18 ноября 1988 г.). Автор разработанного вибродозатора признан лауреатом областной выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-88» (г. Челябинск, октябрь 1988 г.).Кроме того, автор выступал с докладами на научно-практическом семинаре Новосибирского ГАУ в январе 2003 г.; на региональной научной конференции «Аграрная наука России в новом тысячелетии». (г.Омск, май 2003 г.); на семинаре-совещании Министерства сельского хозяйства и продовольствия Омской области по подготовке токового хозяйства к уборке урожая.( июнь 2004 г.); на международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука – итоги и перспективы» (г. Новосибирск, 2004 г.); на научно-технической конференции, посвященной 55-летию факультета механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО ОмГАУ в 2005 г.; на научно-практической конференции, посвященной 90-летию Омского государственного аграрного университета. (г.Омск, 2008 г.); на международном научно-техническом форуме «Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» (г.Омск, 2009г.); на расширенном заседании лаборатории механизации животноводства ГНУ СибИМЭ СО РАСХН в 2011г.; на объединенном заседании кафедр инженерного факультета ФГОУ ВПО АГАУ в 2011г.

Публикации. Основные положения опубликованы в 70 печатных работах, в том числе в 13 изданиях по перечню ВАК РФ для докторских диссертаций, в 6 учебных пособиях с грифом МСХ РФ и УМО, в 16 авторских свидетельствах на изобретения и патентах.

В работе использованы материалы и результаты исследований, выполненных лично автором, а также полученные совместно с А.В. Зильбернагелем, А.Н. Яцуновым и В.В. Фоминым, работавшим под его руководством.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и семи глав, общих выводов, списка литературы из 262 наименований (в т.ч. 12 на иностранных языках) и приложений. Общий объем 406 стр., в том числе 148 рисунков, 20 таблиц и приложений на 87 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель исследований и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Анализ общих направлений и методологических основ совершенствования технологий и технических средств приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий » приведен анализ состояния технологических процессов сепарации, измельчения, дозирования и смешивания компонентов при производстве комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

При определенных условиях использование вибрации может обеспечить псевдоожижение сыпучих материалов и является эффективным средством уменьшения энергоемкости рабочих процессов путем «снижения» коэффициентов трения.

Автором осуществлен анализ путей интенсификации технологического процесса сепарации зерна на зерноочистительных машинах; проанализированы работы, посвященные исследованию параметров относительного движения зерна по решету; проведен обзор исследований влияния конструкции решета на процесс сепарации.

При этом установлено, что на эффективность работы зерноочистительных решет влияет совокупность конструктивных параметров решет и кинематических режимов движения зерна. Усовершенствованию конструкций самих решет посвящены работы В.А. Кубышева, М.А. Тулькибаева, Ю.В. Терентьева, А.И. Климка, П.А. Емельянова, П.Н. Лапшина, А.В. Фоминых, Ф.И. Салеева, Евтягина В.Ф.

Многими исследованиями доказано, что величина предельной скорости движения частицы по решету и равномерность загрузки решет по ширине в значительной степени влияют на качественные и количественные показатели работы решета.

Автором предложен один из путей повышения производительности зерноочистительной машины – применение решета с продолговатыми отверстиями, расположенными под оптимальным углом к направлению его движения.

Из множества существующих операций технологического процесса производства комбикормов наибольшее влияние в хозяйственном производстве будут иметь: измельчение, дозирование и смешивание.

Измельчение является наиболее энергоемкой и трудоемкой операцией, занимающей более 50% от общих трудозатрат в приготовлении комбикормов.

Выполнен анализ результатов научных исследований физико-механических свойств фуражного зерна и конструктивных особенностей технических средств по его измельчению.

Проанализированы способы механического разрушения материалов и теорий измельчения материалов.

Изучением влияния конструктивных параметров на процесс измельчения занимались С.В.Мельников, В.А Елисеев, А.А. Сундеев, Ф.Г. Плохов, В.А.Денисов, В.И. Сыроватка, Л.А.Глебов, П.И. Леонтьев, Н.С. Сергеев, И.Я. Федоренко, С.В. Золотарев, В.А. Дронов, В.А. Зотов, М.Г. Ефимов, И.Б. Шагдыров и др.

При выборе рациональных способов измельчения возникает необходимость создания и применения в сельскохозяйственном производстве измельчителей с новыми рабочими органами интенсифицирующего действия.

Доказано, что измельчение защемленным ударом по зерновке лезвием является наиболее целесообразным видом измельчения зерновых кормов с точки зрения снижения удельной энергоемкости и повышения качества измельчения.

Важная роль в обеспечении рационального кормления животных принадлежит машинам и устройствам, дозирующим компоненты, входящие в состав кормовых смесей (комбикормов).

Зачастую дозаторы, применяемые в линиях приготовления и раздачи кормовых смесей, не отвечают зоотехническим требованиям по неравномерности дозирования, имеют высокую энерго- и металлоемкость. В результате этого нарушаются нормы кормления животных, отрицательно сказывающиеся на продуктивности и ведущие к необоснованному перерасходу дорогостоящих кормов.

Проведенные исследования показывают целесообразность применения дозаторов, использующих вибрацию рабочего органа.

Изучением процесса вибрационного транспортирования и дозирования занимались И.И. Блехман, Г.Ю. Джанелидзе, И.Ф. Гончаревич, А.О. Спиваковский, В.А. Повидайло, П.М. Заика, В.Д. Варсановьев, В.И. Земсков, П.И. Леонтьев, И.Я. Федоренко,, Б.С. Модестов, И.И. Помялов, В.А. Плачкова, В.И. Лобанов и др.

Установлено, что полезное применение вибрации, как одной из наиболее эффективных форм механических воздействий, позволяет разрушить связи между частицами материала, стабилизировать истечение потока сыпучего материала, повышая тем самым равномерность дозирования.

С зоотехнической точки зрения важно не только ввести в состав кормосмеси предусмотренные рационом компоненты в требуемом количестве, но и необходимо равномерно распределить их во всем объеме смеси.

Доказана целесообразность применения вибрации при смешивании сыпучих кормов и рассмотрено вибрационное воздействие на смешиваемые материалы.

Выполнен анализ принципиальных конструкций вибрационных смесителей. Произведен обзор исследований, рекомендаций и выводов по теории и организации процесса смешивания сыпучих материалов.

Проблеме повышения эффективности процессов смешивания сыпучих материалов с использованием вибрации посвящены работы И. Ф. Гончаревича, М.Л. Моргулиса, К.В. Фролова, К.Г. Петрова, И.Я. Федоренко, С.В. Евсеенкова, А. Сражиддинова, А.Д. Припадчева, Л.В. Межуевой, В.Н. Николаева и других. Некоторые из работ посвящены исследованиям процесса смешивания определенных видов кормов или отдельными видами смесителей.

На основании литературного обзора возникла необходимость более глубокого изучения закономерностей взаимодействия сыпучей среды с рабочими органами смесителя и изменения качества смеси в зависимости от его основных параметров.

На основе проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследования:

– проанализировать и обобщить теоретические и экспериментальные исследования процессов приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий;

–разработать методологический комплекс исследования и структурную схему приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий с использованием интенсифицирующих рабочих органов вибрационного и ударного принципа действия, обеспечивающих повышение качества и снижение энергоемкости процесса;

– разработать математические модели основных технологических процессов приготовления комбикормов;

– разработать перспективные рабочие органы кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия, осуществляющих сепарацию (очистку), измельчение, дозирование и смешивание компонентов комбикормов;

– экспериментально проверить математические модели и провести обоснование параметров технологических процессов и технических средств;

– провести производственные испытания разработанных технологических процессов и технических средств и дать их технико-экономическую оценку.

Во второй главе «Механико-методологические предпосылки интенсификации процессов приготовления комбикормов» разработана методологическая база исследований технологических процессов приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий (рис. 1) и предложена структурная схема процесса с использованием интенсифицирующих рабочих органов вибрационного и ударного принципа действия.

Теоретические исследования Экспериментальные исследования Качественные показатели
Технологическая линия Наименование операций Конструктивные параметры Исследуемые зависимости Результаты Рациональные параметры
Системный анализ сепарация P,, Математические модели P = f(), Vпр= f(), = f(), = f(,R,n,G), P; Vпр;; = 10-15° P в 1,7раза Рекомендации производству
Разработка математической модели измельчение 1, 2, d, h = f(1, 2,), Q= f(1, 2,), Nуд = f(1, 2,), 2,, Q, Nуд 2 = 28°, Nуд 10-15%
дозирование h,, B,L x = f(), = f(A,,T) Q = f(A,,h,), Nуд= f(Г,h) ,, Q, Nуд, CV A= 8-10 мм, = 47,1-52,33с-1, = 25-30° h = 40-80мм < 5%
смешивание n,, B,h = f(A,), = f(A,,n,) Q, Nуд, A = 11-12мм, = 5,5-6 Гц, = 7-9°, n = 6 шт., = 95-96%

Рисунок 1 – Методологическая база исследований процесса приготовления

комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий

Специфика процесса приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий позволяет рассматривать формализованные взаимосвязи процесса, протекающего в рабочем пространстве оборудования (для сепарации, измельчения, дозирования и смешивания) с учетом вибрационного и ударного воздействия на сыпучие корма (компоненты комбикормов) и их физико-механические свойства, а также влияние этих закономерностей на качественные показатели готового комбикорма.

Методологическая база исследований технологических процессов приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий является фундаментом многоступенчатой и многозвенной структуры, которая включает в себя создание рабочих органов интенсифицирующего действия, обеспечивающих существенное повышение качества комбикормов и значительное снижение энергоемкости процесса. Использование такой методологии позволяет создать иерархическую структуру системы исследований, включающей отдельные подсистемы, взаимоувязанные через внутренние характеристики системы, в качестве которых выбирают показатели (функции), подводящие их как бы к общему знаменателю. Как результат была представлена сложная, многоуровневая система, которая в свою очередь подразделена на подсистемы. Такое деление соответствует целям и задачам исследования, и, следовательно, представляет логическую завершенность.

Проведенный анализ технологических процессов производства комбикормов позволил предложить новые кормоприготовительные машины вибрационного и ударного принципа действия и включить их в общую структурную схему приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий (рис. 2).

Технологический процесс приготовления комбикормов является сложной многопараметрической системой, схема функционирования которой имеет иерархическую структуру, включающую в себя модели отдельных процессов, явлений и их взаимосвязи.

Процессы кормоприготовления (сепарация, измельчение, дозирование и смешивание) протекают в условиях непрерывно изменяющихся внешних воздействий. Их можно рассматривать как многомерную динамическую систему со многими входными и выходными параметрами. Каждый вид операции в предлагаемой технологии приготовления комбикормов является подсистемой и выполняется в определенной последовательности. Итог – повышение качества и снижение энергоемкости процесса приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

На основании структурной схемы (рис. 2) функция технологического процесса приготовления комбикормов запишется следующим образом:

, (1)

где Е – вектор-функция, параметры которого определяют результирующие (выходные) показатели технологии приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий (Е1, Е2 ); Х – вектор-функция (входных) внешних воздействий на зерноочистительную машину Хзм, измельчитель ударного принципа действия Хиз, вибрационный дозатор Хдоз и вибрационный смеситель Хсм (физико-механические свойства компонентов комбикорма и состояния внешней среды); Z – вектор-функция состояния технических средств, интенсифицирующих технологический процесс приготовления комбикормов (внутренние нерегулируемые параметры кормоприготовительных машин); U – вектор-функция управляющих воздействий технических средств для приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий (внутренние регулируемые параметры кормоприготовительных машин).

;

;

.

После решения задач по определению параметров вектор-функции внешних воздействий, регулируемых и нерегулируемых параметров технических средств выполнения операций по приготовлению комбикормов для построения функции определяются результирующие показатели работы:

– зерноочистительной машины:

– измельчителя ударного принципа действия:

– вибрационного дозатора:

– вибрационного смесителя:

Следовательно, общий вид функции технологии приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий с использованием интенсифицирующих рабочих органов вибрационного и ударного принципа действия запишется как

(2)

В результате изменения внешних воздействий, регулируемых и нерегулируемых параметров будет происходить изменение результирующих показателей как отдельных кормоприготовительных машин, так и процесса приготовления комбикормов в целом.

Для повышения качества и снижения энергоемкости приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий воспользовались методом случайного поиска, согласно которому при переходе от предыдущего состояния Еn-1 к последующему Еn делается шаг j, где – единичный вектор, указывающий направление, в котором выбирается изменение оптимизируемых параметров интенсифицирующих рабочих органов кормоприготовительных машин; j – величина шага.

Исходя из требований повышения качества и снижения энергоемкости технологии приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственных предприятий с использованием интенсифицирующих рабочих органов вибрационного и ударного принципа действия, технологический процесс будет осуществляться по интерактивной схеме:

(3)

где J – функционал повышения качества приготовления комбикормов в условиях хозяйства J(E)max (повышению производительности и полноты разделения зернового вороха; повышение равномерности гранулометрического состава продукта помола; повышение эффективности вибродозирования и вибросмешивания компонентов комбикорма).

Изменение конечных показателей технологии приготовления комбикормов по предлагаемой интерактивной схеме (3) будет происходить путем оптимизации наиболее значимых параметров предлагаемых кормоприготовительных машин интенсифицирующего действия.

В третьей главе «Интенсификация процесса сепарации фуражного зерна на плоских решетах с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом» представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований сепарации фуражного зерна на предлагаемых решетах, позволяющих получить зерновое сырье нужных кондиций для качественной выработки комбикормов.

На основе схемы взаимного расположения решета, отверстия и зерновки, определена предельная скорость движения зерна по решету с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси решета (рис. 3):

(4)

где l – длина отверстия;

– угол наклона плоскости решета к горизонту;

h0 – ширина отверстия;

а, b – длина и толщина зерновки;

`– угол расположения отверстия к продольной оси решета.

а) б)

Из уравнения (4) следует, что с увеличением угла между вектором скорости частицы и осью симметрии отверстий скорость зерна уменьшается. По результатам расчетов установлены значения рациональных углов расположения отверстий решета не более 15° с учетом предельной скорости движения зерна.

Вероятностный подход к процессу сепарации зерна на решете позволяет определить влияние траектории движения частицы на вероятность её взаимодействия с кромками продолговатого отверстия решета. Для того чтобы частица смогла пройти через отверстие решета, необходимо, чтобы она оказалась в зоне отверстия и располагалась относительно граней отверстия определенным образом. Расценивая эти события как независимые, вероятность прохода частицы через отверстия решета будет равна:

, (5)

где – вероятность прохода частицы через отверстие решета;

– вероятность «проходового» расположения частицы на гранях отверстия;

– вероятность взаимодействия частицы с гранями отверстия, обусловленная траекторией движения частицы на перемычке.

Для определения положения частицы, при котором проход ее через отверстие решета возможен, считая зерновку в форме эллипсоида, у которого большая ось равняется длине зерна а, а малая ось – толщине зерна b, центральное сечение представляет собой овал из дуг сопряженных радиусов R1 и R2, используем расчетную схему см. (рис. 3, а).

Из геометрических соотношений определяем угол , при котором возможен проход зерновки в отверстие решета:

(6)

Если известны статистические характеристики реального расположения частиц на поверхности решета относительно продольной оси отверстия, то вероятность «проходового» расположения частицы относительно грани отверстия будет равна:

(7)

где i – число независимых событий в диапазоне ;

– вероятность каждого события в диапазоне ;

N - число частиц на контрольном участке решета расположенных в диапазоне ;

N – общее число частиц на контрольном участке решета.

Для определения вероятности взаимодействия частицы с гранями отверстия, при пересечении траектории движения частицы с гранями отверстия, используем расчетную схему, приведенную на рис. 3,б. Если, , то из геометрических соотношений запишем:, где – площадь отверстия; – площадь перемычки, с которой частица попадает в отверстие; – суммарная площадь отверстия и перемычки. Если, то из рис. 3,б запишем:, где - часть суммарной площади, с которой частица не проходит в отверстие. После преобразований получим:

(8)

Результаты расчетов предельной скорости движения зерна и вероятности прохода частицы через отверстия решета в зависимости от угла расположения отверстия приведены в виде графиков на рис. 4.

Из рисунка 4 следует, что расположение отверстий решета под углом к продольной оси способствует увеличению вероятности прохода частиц в отверстие решета. В диапазоне ` от 0 до 20о вероятность прохода частицы возрастает с 0.315 до 0,548, то есть в 1,7 раза.

Математическая модель процесса взаимодействия частицы с кромкой наклонного продолговатого отверстия решета, совершающего продольные гармонические колебания имеет вид:

(9)

(10)

Уравнения (9, 10) с верхними знаками соответствуют моментам времени, относящимся к левым интервалам (движение частицы по решету вниз и вправо), а с нижними – к правым интервалам (движение частицы вверх и влево).

Решение этих уравнений позволило получить характеристики параметров относительного движения частицы (скорости, перемещения) в зависимости от установочных параметров решета (продольного и поперечного углов наклона решета, угла расположения отверстий) и кинематических параметров привода решета (радиус и частота вращения кривошипа). Для расчета параметров относительного движения частицы по решету на ПЭВМ составлена программа с использованием прикладной программы MathCAD.

Результаты расчетов теоретической производительности решета при заданной величине полноты разделения = 0,8 представлены на рисунке 5.

Полученные зависимости Q = f(`,П) показывают, что оптимальные значения угла расположения отверстий решета равны ` = 10 – 150. Угол поперечного наклона положительно влияет на производительность, но величина его должна ограничиваться по условию равномерного распределения зерна по поверхности решета.

Исследования по выявлению закономерностей качественных и количественных показателей работы решета с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к продольной оси, проводили на лабораторной установке (рис. 6).

В результате отсеивающего эксперимента выяснено, что статистически значимыми по критерию Стьюдента на 5%-ном уровне значимости являются следующие факторы: удельная нагрузка на решето, угол расположения кромок прямоугольных отверстий решета к продольной оси решета, амплитуда и частота колебаний решета.

С целью определения области планирования исследований проведен классический эксперимент, по результатам которого получены зависимости полноты разделения от угла расположения отверстий (рис. 7), угла поперечного наклона плоскости решета, амплитуды и частоты колебаний для величин удельной нагрузки 0,67; 1,47 и 2,28 кг/м2·с. На основании этих зависимостей установлены уровни варьирования факторов.

В результате проведения многофакторного эксперимента получена регрессионная модель изменения полноты разделения, адекватная на 5%-ном уровне значимости

Поверхности отклика построены в зависимости от кинематических параметров работы решета R и n и параметров пространственного расположения отверстий решета и п (рис. 8, 9).

Результаты теоретических исследований подтверждаются результатами экспериментов, о чем свидетельствуют зависимости производительности решета от угла наклона продолговатых отверстий, представленные на рисунке 10.

В четвертой главе «Измельчение зерновых культур в измельчителе ударного принципа действия» приведена теоретическая модель движения измельченного зерна в канале второй и последующих ступеней ударного измельчителя, обеспечивающего получение готового продукта выровненного гранулометрического состава при низких затратах энергии.

В качестве модели зерновки примем трехосный эллипсоид, а в качестве модели сегмента зерновки сегмент трёхосного эллипсоида (рис. 11, а, б).

а) б)

Н.С. Сергеевым теоретически установлено, что при движении в канале первой режущей пары рабочего органа измельчителя зерно поворачивается, ориентируясь длинной осью вдоль стенки канала (рис. 11). Следовательно, при вращении ротора, двигаясь под действием центробежной силы, зерновка нарезается на сегменты толщиной h.

Рассмотрим движение зерновки по диску вдоль стенки режущего элемента.

На неё действуют следующие силы (рис.12):

  • сила тяжести P = mg;
  • нормальная реакция диска NР;
  • центробежная сила FЦ= m2R, где = n/30;
  • сила Кориолиса FК = 2mV0;
  • нормальная реакция стенки режущего элемента NFК;
  • сила трения FТ1 = fmg - действующая на поверхности диска;
  • сила трения FТ2 = 2fmV0, действующая по поверхности лопатки,

где V0 – скорость движения зерна по диску, m – масса зерна, f – коэффициент трения зерна по поверхности диска-ротора, – угловая скорость вращения ротора; g – ускорение силы тяжести; n – частота вращения ротора.

Основной закон динамики для зерновки имеет вид:

(12)

где – ускорение зерновки; – геометрическая сумма, действующих на зерновку сил или

. (13)

Проецируя это уравнение на ось Х, совпадающую с радиусом диска R, получим

(14)

Известно, что при равноускоренном движении тела без начальной скорости путь, пройденный телом, равен

(15)

Так как в нашем случае L = S, V0 = 0 толщина зерна, отрезаемая первой парой режущих элементов, будет определяться следующей формулой:

(16)

Анализ этого выражения при оптимальной скорости резания ( = 230 рад/c) с учётом того, что первое кольцо рабочих органов ударного измельчителя имеет две режущие пары, показывает, что сегмент зерновки имеет толщину около h1,5 мм.

Покажем, что взаимодействие сегментов зерновки с режущими элементами рабочих органов ударного измельчителя второй и последующих ступеней измельчения происходит преимущественно по поверхности предварительного среза рабочими органами предыдущей ступени.

Рассмотрим движение сегмента зерновки при ориентации в канале рабочего органа (рис. 13):

На него действуют следующие силы:

  • сила тяжести P = mg (направлена вниз);
  • нормальная реакция силы тяжести NР (направлена вверх);
  • центробежная сила FЦ = m2R (направлена вдоль радиуса от оси вращения), где = n/30;
  • сила Кориолиса FК = 2mV0 (направлена перпендикулярно стенке режущего элемента против направления вращения);
  • нормальная реакция стенки режущего элемента (направлена перпендикулярно стенке режущего элемента по направлению вращения);
  • сила трения FТ1 = fmg - действующая на поверхности диска;
  • сила трения FТ2 = 2fmV0, действующая по поверхности лопатки,

где V0– скорость движения сегмента зерновки по диску, m – масса сегмента зерновки, f – коэффициент трения поверхности сегмента зерновки по поверхности диска-ротора, – угловая скорость вращения ротора, g – ускорение силы тяжести; n – частота вращения ротора.

Из рисунка 13 видно, что отрезанный на первой ступени измельчителя сегмент зерновки находится в неустойчивом положении, так как опирается на рабочий орган эллипсоидной частью, а, следовательно, имеет только одну точку опоры.

тра масс сегмента зерновки;

.

Выведенная из равновесия силой FЦ частица может потерять равновесие в двух направлениях:

  • в сторону действия момента силы Р;
  • в сторону действия момента силы FK.

Для теоретического определения направления разворота сегмента зерновки определим момент силы FK из уравнения:

(17)

где

и момент силы Р из уравнения:

(18)

где

Численное решение данных дифференциальных уравнений показывает, что момент силы FK уже при скорости резания = 5 рад/c превосходит момент силы Р, следовательно, при реальных условиях измельчения на оптимальной скорости резания ( = 230рад/c) сегмент зерновки развернётся поверхностью среза к поверхности режущего элемента, а взаимодействие сегмента с режущими элементами рабочих органов измельчителя второй и последующих ступеней измельчения произойдёт преимущественно по поверхности предварительного среза рабочими органами предыдущей ступени.

Проанализируем движение сегмента зерновки при развороте поверхностью среза к поверхности режущего элемента (рис. 14).

Основной закон динамики для относительного движения сегмента зерновки имеет вид:

(19)

где – ускорение относительного движения сегмента зерновки (); – геометрическая сумма действующих на сегмент зерновки сил.

Для определения поступательного движения сегмента зерновки спроецируем это уравнение на оси Х, Y, Z и получим:

(20)

или

(21)

При относительном движении сегмента зерновки, как было показано выше, происходит его вращение вокруг оси Z (рис. 14):

( 22)

где

После подстановки JZ, FK, FЦ, FT2 получим:

(23)

или

(24)

Из уравнений (21) и (24) получим систему уравнений:

(25)

где – угол между плоскостью среза сегмента и плоскостью режущего элемента; х – перемещение сегмента с момента среза.

Данная система уравнений позволяет исследовать поступательное и вращательное движение сегмента зерновки при перемещении по ротору вдоль стенки режущего элемента.

Численное решение системы реализовано в программе MathCAD, графическая интерпретация для различных культур показана на рис. 15.

Как видно из этих зависимостей, сегмент зерновки в рабочем канале успевает повернуться плоскостью среза вдоль режущего элемента за очень небольшой промежуток времени (рис. 15,а) с незначительным перемещением (менее 0,5 мм) (рис. 15,б). И это позволяет утверждать, что резание сегмента зерновки последующей ступенью рабочих органов ударного измельчителя будет происходить по плоскости среза предыдущей, что подтверждает выдвинутую нами гипотезу.

Для измельчителя ударного принципа действия (рис.16), получен эффект управляемого (по требуемому направлению) хрупкого разрушения зерновок при защемленном ударе лезвием, способствующий уменьшению эффективных коэффициентов трения, благодаря чему происходит снижение затрат энергии на процесс.

а) б)

Анализ результатов экспериментов (рис. 17,а, б) по определению затрат энергии на измельчение показал, что в результате отыскания оптимального угла резания в данных рабочих органах, удельная энергоёмкость снижается в среднем на 10 –15% при качестве готового продукта, соответствующем зоотехническим требованиям.

Это подтверждает правильность теоретических предпосылок по оптимизации технологического процесса взаимодействия измельчающих элементов рабочих органов с обрабатываемым материалом в измельчителе.

В пятой главе «Повышение эффективности дозирования ингредиентов комбикормов» представлена математическая модель процесса дозирования дозатором вибрационного действия, при этом средняя скорость движения частиц корма постоянна. А это является технологической основой для получения малой погрешности дозирования ингредиентов при приготовлении комбикормов.

Из сравнительного анализа существующих объемных дозаторов сыпучих кормов следует, что наиболее перспективным является вибрационный дозатор, рабочий орган которого подвергается кинематическому вибрационному возбуждению, подчиняющемуся закону Ф = А():

(26)

Материальная частица сыпучего корма находится в равновесии под действием следующих сил (рис. 18):

1.веса: Р = m·g;

2.нормальной силы реакции плоскости лотка N = P cos ;

3.силы трения, описываемой законом Амонтона - Кулона:

(27)

Наклонная плоскость совершает продольные негармонические колебания по закону, описанному уравнением (26). Очевидно, что в этом случае движение частицы корма происходит без отрыва от поверхности лотка вибродозатора и совпадает с направлением колебаний.

На основании изложенного составим дифференциальное уравнение относительного движения частицы в проекции на ось х в общем виде:

(28)

где m – масса частицы, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

N – сила нормального давления, н;

– коэффициент трения частицы о дно лотка вибродозатора;

– угол наклона лотка к горизонту, град;

– текущее значение скорости частицы вдоль оси х, м/с.

После линеаризации нелинейного члена, уравнение (28), принимает следующий вид:

. (29)

Представим уравнение (29) как

(30)

где – обобщенная угловая координата кулачка привода вибродозатора;

к – обобщенный коэффициент эквивалентного вязкого трения, учитывающий механизм взаимодействия частицы с дном лотка и угол наклона лотка вибродозатора к горизонту (принимает меньшие значения с увеличением скорости частицы и наоборот); – диссипативная сила, представленная вязким трением, т.е. сила трения пропорциональная скорости частицы и зависящая от угла наклона лотка вибродозатора; А()2 – периодическое внешнее воздействие; А() – амплитуда переменной силы в любой момент времени согласно системе уравнений (26).

Полученное дифференциальное уравнение не может быть проинтегрировано в квадратурах. Поэтому для его решения воспользуемся численным методом, который был реализован на ЭВМ с применением разложения функций и в ряд Тейлора.

Полученная математическая модель позволяет описать процесс перемещения частиц сыпучих кормов при различных режимах работы предлагаемого экспериментального вибродозатора (рис. 19).

На рис.20 показаны зависимости средней скорости частицы от времени, построенные для трех различных значений амплитуды колебаний и обобщенного коэффициента к. Очевидно, что и при других значениях обобщенного коэффициента и параметров вибрации (амплитуды и частицы вынужденных колебаний) зависимость изменения средней скорости частицы от времени сохраняется. Интересно отметить, что для каждого из данных графиков характерно весьма быстрое уменьшение скорости движения частицы в начале процесса, что соответствует зоне неустановившегося процесса вибродозирования (зона А). Далее средняя скорость движения частицы соответствует установившемуся процессу (зона Б), что обычно наблюдается на практике. Отсюда видно, что движение частицы корма по наклонной плоскости происходит с постоянной (в среднем) скоростью. Следует подчеркнуть, что это обстоятельство (vcp = const.) объясняется особенностями движения частицы по наклонной плоскости, совершающей продольные негармонические колебания, описываемые уравнением (26).

Известно, что имеется тесная взаимосвязь между скоростью движения частиц и подачей вибродозатора. Для предлагаемого вибродозатора можем записать:

(31)

Учитывая выражение (31) и то, что F = B·H, окончательно получаем:

, (32)

где В – ширина лотка вибродозатора, м;

Н – толщина слоя корма, м;

– коэффициент наполнения лотка с-1;

– частота колебаний лотка, с-1;

– угол наклона лотка, град.

Результаты эксперимента по определению неравномерности дозирования, оцениваемой коэффициентом вариации Сv, %, позволили получить математическую модель для рассыпного комбикорма в кодированном виде:

Усv = 1,4635+0,2066Х1+0,7166Х2+0,1214Х3–1,3274Х4–1,2581Х1Х2–

1,0355Х1Х3–0,5544Х2Х3+0,3225Х3Х4+1,4309Х21-0,5323Х22+ (33)

0,6341Х23–0,2461Х24,,

адекватно описывающий технологический процесс вибрационного дозатора.

Предварительный анализ модели (33) показал, что все выбранные факторы Х1–высота выпускного окна (Н), Х2–частота колебаний лотка (), Х3–амплитуда колебаний лотка (А), Х4–угол наклона лотка ( ) существенно влияют на неравномерность дозирования.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.