Физико-биотехнический подход к процессу создания однородной смеси

Физико-биотехнический подход к процессу создания однородной смеси

Л.В. Межуева, д.т.н., профессор, Т.И. Пискарёва, к.т.н., А.В. Быков, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ

В настоящее время наукой и практикой доказано, что эффективность кормопроизводства определяется качественными и экономическими показателями. Снижение энергоёмкости процесса смесеприготовления и повышение качества кормов позволяет уменьшить экономические затраты. Экономически выгодно осуществлять кормопроизводство в непосредственной близости от животных, тем самым исключаются транспортные, складские и другие издержки.

Материал и методы исследования. Создание сбалансированных и питательных кормосмесей — сложный технологический процесс. При его реализации необходимо подбирать кормокомпоненты по совместимости, усвояемости и востребованности на соответствующем возрастном этапе вскармливания. Приготовление комбикормов по хорошо отработанной рецептуре, которая включает все необходимые элементы для нормального функционирования и развития животных, даёт возможность улучшить их качество. Одной из важных сторон улучшения качества кормов является технология их приготовления, включающая ряд производственных операций. При приготовлении сухих и влажных смесей существенным является требование получения однородной массы с равномерным распределением компонентов по всему объёму корма. Применение имеющегося оборудования не всегда обеспечивает качественное смешивание компонентов, используется неэкономично и малоэффективно с большими

затратами энергии. Возникают трудности, как конструктивного оформления, математического описания протекающих процессов, так и прогнозирования полученных результатов [1].

В связи с этим возникает необходимость создания наиболее эффективных и совершенных конструкций смесителей, способных выполнять качественно и производительно приготовление смесей.

В настоящее время, когда промышленное производство смесей снижается, всё чаще используется оборудование для малых фермерских хозяйств, способных быстро перестраиваться, реагируя на спрос и не требуя при этом больших денежных вложений.

Результаты исследования. Рассматривая процесс создания однородной кормосмеси на основе системного подхода, была предложена сложная, многоуровневая структура, содержащая подсистемы, которые в свою очередь разделены на множество элементов (рис. 1). Такое деление не бесконечно, а ограничено целями исследования, логически завершено [2].

Использование параметрических подсистем, охватывающих рассмотренные технологические процессы, учитывая конструктивно-технологические, физико-механические и реологические параметры смешиваемых материалов, а также режимные характеристики процесса позволяет получать разнообразные решения, удовлетворяющие той или иной поставленной задаче.

Таким образом, создание однородной кормо-смеси разной влажности включает в себя несколько

технологических процессов, а именно: подготовку кормовых компонентов (ПКК), водоподготовку (ВП), смешивание кормовых компонентов (СКК), контроль качества полученной кормосмеси (ККК).

Подготовка кормовых компонентов учитывает все свойства ингредиентов (рис. 2), создающих кормосмесь, и может осуществляться самыми различными способами, ограниченными технологическими возможностями и производственной необходимостью.

ПКК

I

Физико- Реологические Химико-

механические свойства биологические

свойства ❖ Вязкость свойства

❖ Насыпная плотность ❖ Эквивалентный ❖ Сдвиг ❖ Жёсткость ❖ Перевариваемость ❖ Гидрофильность ❖ Питательность

диаметр ❖ Масса загрузки

Рис. 2 - Подсистема подготовки кормовых компонентов

Водоподготовка заключается в температурной и кавитационной обработке воды, которая содержит большое количество органических соединений [2]. Данная подсистема расчленена нами на режимные и конструктивные элементы (рис. 3).

' Режимные ^ параметры

Температура замораживания и оттаивания Частота вращения Время

^Конструктивные^ параметры

Рабочий объём камеры

Коэффициент заполнения

Рис. 3 - Подсистема водоподготовки

Структурная многопараметрическая система создания однородной кормосмеси основывается на внутренних связях между исследуемыми объектами, где выход предыдущего элемента является входом последующего. Такие параметры, как производительность, энергоёмкость и влажность кормового сырья, определяют условия работы смесительного

оборудования, а также являются выходом кормо- и водоподготовки. Поэтому, чтобы обеспечить качественное смешивание кормосмеси в фермерских хозяйствах, необходимо для определённой влажности корма создать на базе смесителя внутренние рабочие поверхности, интенсифицирующие процесс смесеприготовления.

Подсистема смешивания кормовых компонентов представлена режимными и конструктивными параметрами, включающими время смешивания, коэффициент загрузки камеры, частоту вращения, а также параметрами надёжности технической системы, включающими плотность распределения, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы [3] (рис. 4).

Завершающим этапом в создании однородной кормосмеси является контроль качества кормосмеси (рис. 5), осуществляемый по отклонению контрольного компонента в пробах смеси от теоретического значения.

Основными составляющими данной подсистемы выделены степень однородности полученной смеси М и качество готового продукта, выраженное через концентрацию С [3].

Эффективное перемешивание зависит от интенсивности, которая определяется расходом энергии или мощностью рабочего органа. Энергия расходуется на сложное движение частиц, возникающее в процессе смешивания [1]. Таким образом, результатом исследований является разработка модельного ряда смесителей для выбранного диапазона влажности смеси и определение оптимальной параметрической области, где все параметры, характеризующие процесс, принимают оптимальные значения, в результате чего на выходные параметры накладываются определённые ограничения, связанные с технологическими возможностями [4].

Зная параметры процесса, можно определить прогнозируемое качество смеси, выраженное степенью однородности М. Для определения же оптимального набора параметров используется функция Харрингтона, которая устанавливает взаимосвязь между количественными значениями концентрации С и степенью однородности М, что в свою очередь выражается следующим уравнением регрессии:

Режимные параметры

• Частота вращения

• Время смешивания

• Передаточное число

Параметры надёжности

• Плотность распределения

• Интенсивность отказов

Рис. 4 - Подсистема смешивания кормовых компонентов

Конструктивные параметры

• Коэффициент загрузки камеры

• Рабочий объём камеры

• Число и объём поверхностей

/\

V_У

Рис. 5 - Подсистема контроля

М =28233,37 к — 7,186765(Е-02)ф—

—3,357468(Е-02)р„ - 1,736908 Ж-5,265113Ж-—5,588221(Е-05) О + 69,81744К+ + 7,479701у + 0,1926816? — 1226092Г2+ + 2,094389(Е-04)ф2+4,741984(Е-12)0 2р„+

+145,6274 Грк Ш — 4,579373(Е-08)?3—39,24084.

При принятом уровне значимости а = 0,01, критерий Фишера F= 1,94, уравнение значимо.

По полученным результатам сделали вывод, что модель адекватно описывает процесс смешивания в смесителях [3].

Оценка технико-экономической эффективности проводится по каждой подсистеме приготовления кормосмеси, поэтому процедура технико-экономического исследования процесса смесеприготовления осуществляется от целого к частному.

Эффективность научно-технических основ разработанного процесса можно представить, с одной стороны, связью эксперимента с зоотехническими возможностями, т.е. рассмотреть, как

влияет увеличение однородности смеси на прирост животноводческой продукции, с другой стороны, возможностью снижения энергоёмкости процесса за счёт использования новых технических разработок [5].

Вывод. На основании расчёта технико-экономических показателей подтверждена целесообразность использования новых технических решений, так как наблюдается рост производительности, качества готового продукта при одновременном снижении энергоёмкости процесса и продолжительности цикла смешивания.

Литература

1. Пискарёва Т.И. Научные основы процесса смешивания // Достижения учёных 21 века: сб. статей V Междунар. науч.-практич. конф. Тамбов, 2010. С. 78—79.

2. Межуева Л.В. Механико-технологическое обоснование процесса смесеприготовления / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарева // Научно-технический прогресс в животноводстве — стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции на период до 2020 г.: сб. научных трудов XII Междунар. науч.-практич. конф. ГНУ ВНИИМЖ Подольск, 2009. С. 74—80.

3. Пискарёва Т.И. Влияние физико-механических и конструктивно-технологических параметров на процесс смешивания в шнеково-лопастных смесителях: учеб. пособие. Оренбург: ОГУ, 2013. 86 с.

4. Вариативная модель процесса приготовления смесей / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, В.В. Гунько, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарёва // Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 5. С. 15—17.

5. Межуева Л.В. Влияние технологического подхода на качество процесса смесеприготовления / Л.В. Межуева, А.П. Иванова, А.В. Быков, Н.В. Гетманова, Т.И. Пискарёва, Л.А. Быкова // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации: сб. статей Междунар. науч. конф. Оренбург, 2010. С. 281—286.

Экспериментальные исследования процесса экструдирования зернового материала

В.Г. Кушнир, д.т.н., профессор, Н.В. Гаврилов, к.т.н., А.С. Кушнир, соискатель, Костанайский ГУ

Программа исследования предусматривала проведение экспериментов по идентификации (определению неизвестных пользователю внешних величин) и по верификации математической модели, которые были реализованы на специально разработанном экспериментальном стенде, оснащённом измерительной аппаратурой.

Материал и методы исследования. Основное назначение физических экспериментов в настоящем исследовании заключается в получении экспериментальных данных, позволяющих судить о точности математической модели. Для того чтобы наиболее обоснованно можно было судить о верификации математической модели по обоснованию качества экструдированного зернового материала, эксперименты проводили при изменении параметров фильеры, при различной влажности материала.

Исследование проведено на лабораторной базе кафедры машин, тракторов и автомобилей Коста-найского государственного университета.

В качестве опорного объекта для параметрического синтеза шнекового прессующего механизма был взят малогабаритный пресс-экструдер ПЭ-20, выпускаемый ТОО «Агротехсервис-12», предназначенный для прессования материалов растительного происхождения и получения вспученных экструдатов.

Пресс имеет сменный шнек, на конце которого укреплена насадка типа «торпедо» с четырьмя продольными канавками прямоугольного сечения, выполняющая функции компрессионного затвора. Привод шнека осуществляется через клиноременную передачу от асинхронного электродвигателя. Изменение скорости вращения шнека осуществляется сменой шкивов клино-ременной передачи. Головка пресса позволяет устанавливать матрицы различной конструкции. Внешний вид лабораторного стенда показан на рисунке 1.

Принцип работы представленной установки следующий: электродвигатель, установленный в станине 1, посредством ременной передачи приводит во вращение быстроходный шнек,