Ресурсосберегающие технологии и технические средства приготовления кормов для животноводческих предприятий КРС малых форм хозяйствования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Сысоев Денис Петрович

• Сысоев Денис Петрович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Сысоев Денис Петрович

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Животноводческие объекты малых форм

хозяйствования в нормативных документах

1.2 Анализ состояния отрасли и производственной деятельности животноводческих предприятий малый форм хозяйствования

1.3 Технологическое обеспечение механизации процессов приготовления кормов для крупного рогатого скота

1.4 Основные направления повышения производства животноводческой продукции на предприятиях

малых форм хозяйствования

1. 5 Состояние научных исследований по обоснованию

ресурсосберегающих технико-технологических решений

в системам механизированного приготовления кормов

1.6 Выводы, обоснование научной проблемы,

цель и задачи исследования

2 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ

2.1 Разработка обобщающей теоретической модели влияния взаимодействий элементов системы на ресурсосбережение и эффективность технологических процессов

механизированного кормления животных

2.2 Математическая модель оценки эффективности процессов механизированного приготовления кормов на малых фермах

2.3 Методологические принципы моделирования

процессов приготовления кормов

2.4 Теоретические обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы устройства для измельчения высокобелковых кормов (на примере зерна сои)

2.5 Теоретические обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы

измельчителя грубых кормов

2.6 Теоретические обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы устройства сухой очистки клубнеплодов от почвенно-растительных загрязнений

2.7 Теоретические обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы

измельчителя-смесителя кормов

Выводы по разделу

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Описание экспериментальных установок

3.2. Программа и методика экспериментальных исследований

Выводы по разделу

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Обоснование параметров измельчителя в процессе измельчения замоченного зерна сои абразивными дисками в жидкостной среде

4.2 Обоснование параметров сепаратора в процессе

сухой очистки корнеплодов

4.3 Обоснование параметров измельчителя в процессе измельчения грубых кормов комбинированными

режущими сегментами дискового рабочего органа

4.4 Обоснование параметров процесса приготовления кормовых смесей из компонентов рациона

послойно загруженных в бункер измельчителя-смесителя

4.5 Выводы по разделу

5 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

5.1 Производственная проверка результатов исследований

5.2. Экономическая эффективность результатов исследований

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ресурсосберегающие технологии и технические средства приготовления кормов для животноводческих предприятий КРС малых форм хозяйствования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Животноводство - важнейшая отрасль сельскохозяйственного производства России. Главная цель развития сельского хозяйства в стране и отдельных регионах в настоящее время заключается в обеспечении продовольственной независимости и повышении конкурентоспособности отечественной сельхозпродукции на внутреннем и внешнем рынках. Это обусловлено рядом факторов: вступление России в ВТО, санкции ЕС и других государств, снижение темпов развития молочного животноводства, за счет перехода от государственной принадлежности и контроля к частным физическим лицам и другие факторы. Особое внимание со стороны государства и руководителей регионов уделяется развитию животноводства. Планируется довести к 2020 г. производство мяса до 14,07 млн. тонн, а производство молока до 38,2 млн. тонн. Удельный вес отечественной сельскохозяйственной продукции животноводства в общем объеме их ресурсов планируется довести до 90 %. Решение поставленных задач будет во многом определяться за счет совершенствования производственных процессов по приготовлению кормовых смесей животным с минимальными затратами труда и средств [4, 5, 6, 7].

Увеличение производства животноводческой продукции в значительной степени зависит от качественной подготовки кормов в соответствии с зоотребованиями [8, 14, 15]. Следовательно, рациональное их использование предусматривает скармливание животным только в подготовленном виде при высоком качестве приготовления, особенно в условиях предприятий малых форм хозяйствования.

Особенность развития животноводства в РФ заключается в многоуклад-ности производства продукции как в крупных, средних, крестьянских (фермерских) хозяйствах различных форм собственности, так и личных хозяйствах населения. В настоящее время около 16 млн. семей в России имеют личные подсобные хозяйства, производящие 57 % всей валовой продукции сельского хозяйства, в том числе более 50 % молока и 55 % мяса. При этом уровень механизации основных процессов остается невысоким [9, 10]. Проблемным является вопрос применения технологий и средств механизации процессов приготовле-

ния кормов, т.к. они занимают до 40 % затрат труда в общем объеме [8]. Так, если на крупных фермах в целом по стране комплексная механизация составляет 80 процентов, то на малых - всего лишь 18 %, что дает предпосылку для эффективной адаптации технологий и использования малогабаритных технических средств для подготовки кормов [9, 11].

Концепцией социально-экономического развития РФ в долгосрочной перспективе поставлена задача обеспечения потребностей населения продовольствием за счет интенсификации отечественного производства сельскохозяйственной продукции. В целевой отраслевой программе «Развития молочного скотоводства и увеличение производства молока в Российской Федерации на 2012-2020 годы» отмечена необходимость реализации мер государственной поддержки для увеличения молочного скота в хозяйствах населения и крестьянских (фермерских) хозяйствах, а также укрепление кормовой базы и улучшение качества кормов [4, 11].

С учетом особенностей сложившихся условий хозяйствования и запросов производства, требуется обеспечить животноводов эффективными решениями, путем адаптации и проектирования ресурсосберегающих технологий, а также разработке необходимых малогабаритных многофункциональных средств для механизации основных технических процессов приготовления кормов.

Интенсивным направлением увеличения объема производства животноводческой продукции, заключается в повышении качества кормов за счет концентрации и сохранении питательных веществ в последнем. Заготовка грубых кормов в прессованном виде позволяет в достаточном количестве сохранить питательные и минеральные вещества, необходимые для полноценного кормления животных в зимний период. Однако использование корма в прессованном виде без предварительной подготовки (разворачивание рулона, измельчение, дозированная выдача) на малых животноводческих фермах, по существующим технологиям невозможна, в силу отсутствия средств механизации.

Разнообразие технических средств и рабочих органов режущих аппаратов машин для приготовления кормов зависит от их физико-механических свойств, зоотехнических требований к кормовым смесям, вида животновод-

ческих помещений и зональных особенностей региона. Эффективным решением фермерского приготовления кормов на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования при снижении затрат труда является применение рациональных ресурсосберегающих технических решений [12].

Полноценное сбалансированное кормление остается основополагающим фактором успешного развития эффективного животноводства [16, 17]. Оптимальные результаты без затрат на дополнительное расширение кормовой базы и увеличения поголовья достигаются за счет сбалансированного кормления животных подготовленными кормами, обеспечивающими легкую усвояемость питательных веществ и использование их организмом животных с максимальной отдачей. Так при кормлении у коров повышаются надои на 5-9 %, увеличиваются на откорме привесы у молодняка на 10-15 % по сравнению с показателями поочередного скармливания отдельных компонентов рациона.

Использование минимального количества компонентов в кормовых смесях, возможно при включении и оптимальном соотношении в их составе кормов с высоким содержанием питательных веществ. Поскольку большее количество компонентов усложняет процессы механизации их приготовления, что ведет к значительному удорожанию кормовой смеси и, как следствие, получаемой животноводческой продукции. К тому же условия современного уровня развития коллективных, крестьянских (фермерских) хозяйств не позволяет широко внедрять механизацию в приготовлении кормов [13].

Применяемые на животноводческих фермах технологии и машины для приготовления кормов зачастую нельзя адаптировать для предприятий малых форм хозяйствования. В этой связи требуется обеспечить фермеров высокоэффективными проектными решениями, учитывающими особенности сложившейся практики хозяйствования и запросы производства.

Для повышения продуктивности животных, из анализа опыта работы сельскохозяйственных предприятий с развитым животноводством в России и за рубежом, обосновано увеличением в рационе доли высокопитательных кормов, обогащенных белками, дефицит в котором испытывают как малые фермы, так и фермерские хозяйства. Источником кормового белка, дающего 50 % протеина, в основном являются бобовые культуры. Поэтому для макси-

мального использования протеина животными требуется тщательная подготовка к скармливанию зерна бобовых культур [8].

Анализ работы серийно выпускаемых машины для приготовления кормов показал, что они металлоемки, энергоемки и мало приемлемы в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования, поскольку используются с низкой эффективностью, вследствие недостатков организационного, технического и технологического характера [10]. Поэтому, настоящая диссертация посвящена решению данной проблемы.

Работа проводилась в соответствии с региональной научно-технической программой; Концепцией долгосрочного социально-экономического развития РФ до 2020 г.; комплексной тематикой НИР Кубанского ГАУ «Совершенствование ресурсосберегающих машинных технологий, повышение надежности машин и эффективности использования машинно-тракторного парка» в рамках государственных программ №ГР01201153626 и №АААА-А16-116022410038-8 соответственно, а также на основе выполнения инициативных НИОКР с федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» («Фонд содействия инновациям»): НИР «Разработка режущего сегмента для измельчителей-кормораздатчиков» - Договор №866 ГУ1/2013 от 09.12.2013 г.; НИР «Разработка конструкции измельчителя зерна сои» - Договор №5447 ГУ1/2014 от 29.10.2014 г.; НИР «Разработка навесного универсального раздатчика-измельчителя кормов» - Договор №6396 ГУ/2015 от 30.06.2015 г.

Степень разработанности темы. Современные технологии приготовления кормов на животноводческих фермах и комплексах располагают широким набором средств механизации, которые могут формовать заданное качество и приемлемую себестоимость продукции на выходе. Однако их внедрение на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования экономически нецелесообразно, поскольку не позволяет получить качественные корма при минимальном наборе технических средств и их высокой стоимости.

Несмотря на большое количество научных работ, касающихся повышения эффективности и качества приготовления кормов, можно наметить ресур-

сосберегающие направления в разработке теоретических основ систем машин для условий малых животноводческих предприятий. Поэтому их развитие и модернизация требуют более совершенных методологических подходов, которые должны учитывать комплекс факторов реального производства.

Разработка темы отображена в трудах В. И. Сыроватки, А. М Семенихи-на, М. А. Тищенко, С. М. Доценко, И. Н. Краснова, А. Т. Лебедева, В. И. Пахо-мова, В. В. Коновалова, В. Ю. Фролова, С. Ю. Булатова, С. М. Ведищева и других ученых, в виде комплексных подходов к повышению эффективности технологических процессов приготовления кормов. В реальных условиях производства животноводческой продукции на предприятиях малых форм хозяйствования полученные результаты требуют уточнения, корректировки и дальнейших исследований.

Особенность малых предприятий связана с наличием дифференцирован-ности поголовья и кормовых баз, что требует большого количества разнообразных технологических линий и технических средств для приготовления кормов. При наличии средств механизации возникает проблема: в связи с высокими удельными затратами и стоимостью машин их эффективное использование в условиях малых форм хозяйствования экономически нецелесообразно. Следовательно, научно-техническая проблема заключается в разработке малогабаритных технических средств механизации основных процессов приготовления кормов, проектировании и адаптации технологий, ориентированных на кормовую базу малых предприятий с учетом показателей качества и ресурсосбережения.

Для решения проблемы предложена следующая научная гипотеза. Проектирование и адаптация технологий, разработка малогабаритных многофункциональных технических средств для механизации основных процессов приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования обеспечит ресурсосбережение и повышение качества приготовления кормов.

Цель работы: обоснование технологий и технических средств, обеспечивающих ресурсосбережение и повышение качества приготовления кормов на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования.

Задачи исследований:

- разработать математическую модель совершенствования процесса приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования по показателям качества и ресурсосбережения;

- разработать математическую модель оценки эффективности функционирования ресурсосберегающих технологических линий приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования;

- разработать обобщенную структурную схему процессов приготовления основных компонентов рациона на основе принципа трансформации кормовых потоков;

- разработать технологические схемы линий приготовления кормов, обеспечивающие ресурсосбережение при минимальном наборе компонентов и технических средств механизации основных процессов на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования;

- разработать необходимый минимальный набор технических средств для механизации основных процессов ресурсосберегающих технологий приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования;

- получить аналитические зависимости для обоснования конструктивно-технологических схем, режимов и параметров рабочих органов проектируемых технических средств;

- экспериментально обосновать оптимальные технологические, конструктивные и режимные параметры разработанных технических средств для линий механизированного приготовления кормов;

- оценить технико-экономическую эффективность производственной проверки основных результатов исследований и разработать рекомендации по их использованию.

Объект исследований. Технологические линии и технические средства для приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования.

Предмет исследований. Закономерности влияния адаптированных технологий и технических средств для приготовления кормов на показатели качества и ресурсосбережения в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель совершенствования процесса приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования по показателям качества и ресурсосбережения;

- математическая модель оценки эффективности функционирования ресурсосберегающих технологических линий приготовления кормов в условиях животноводческих предприятий малых форм хозяйствования;

- обобщенная структурная схема процессов приготовления основных компонентов рациона на основе принципа трансформации кормовых потоков;

- технологические схемы линий приготовления кормов, обеспечивающие ресурсосбережение при минимальном наборе компонентов и технических средств механизации основных процессов на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования;

- уточненные математические модели, устанавливающие взаимосвязь между рациональными параметрами разработанных машин (рабочих органов) и количественными показателями выполнения технологического процесса;

- регрессионные модели взаимосвязи качественных показателей базовых машин для приготовления кормов и параметров и режимов их работы.

Новизна технологических и технических решений подтверждена 17 патентами РФ, из них 13 - на изобретения и 4 - на полезные модели.

Теоретическая и практическая значимость работы. Обоснованы с применением системного анализа подходы к процессу приготовления кормов в условиях предприятий малых форм хозяйствования путем объединения технологических операций и разработки технических средств, обеспечивающих решение проблемы качества приготовления и ресурсосбережения. Разработаны для животноводческих предприятий малых форм хозяйствования ресурсосберегающие технологические и технические решения, позволяющие эффективно

реализовывать различные варианты линий приготовления кормовых смесей с включением в рационы углеводистых, белковых и других компонентов, обладающих высокой питательной ценностью. Проведена структурная и параметрическая оптимизация технологических линий. Получены аналитические зависимости для проведения инженерных и технологических расчетов основных параметров предлагаемых машин для приготовления кормов. Обоснованы адаптированные варианты ресурсосберегающих технологических линий приготовления кормов, построенные по блочно-модульному принципу, с комплектацией предложенными базовыми техническими средствами, обеспечивающими требуемую производительность и высокую эффективность выполнения технологических процессов при снижении материальных, трудовых и энергетических затрат.

Результаты научно-технических разработок, созданные на основе исследований, доведены до стадии широкого практического использования.

Рекомендации по совершенствованию оборудования поточной линии приготовления кормов переданы и используются в сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского и Ставропольского краев, Республике Адыгея.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Кубанского ГАУ, Ставропольского ГАУ, Донского ГАУ, Дагестанского ГАУ, Дальневосточного ГАУ и др.

Методология и методы исследований.

Общей методологической основой исследований являлось использование системного подхода, рассматривающего процесс механизированного приготовления кормов с учетом реальных взаимосвязей параметров систем. Применялись методы системно-параметрического и функционально-стоимостного анализа, факторного эксперимента, математического моделирования, регрессионного анализа. В теоретических исследованиях использованы методы и законы механики, математического моделирования. Лабораторные и производственные исследования проводились с использованием стандартных методик, приборов и оборудования. В экспериментальных исследованиях применялись методы планирования многофакторного эксперимента, методика многокрите-

риальной оценки рациональных факторов и метод нелинейного программирования (метод сканирования с ограничениями). Обработка полученных данных осуществлялась на персональных компьютерах с использованием методов математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель совершенствования процесса приготовления кормов, обеспечивающая поиск ресурсосберегающих решений для максимальной реализации показателей качества и ресурсосбережения в условиях предприятий малых форм хозяйствования;

- математическая модель оценки эффективности функционирования ресурсосберегающих технологических линий приготовления кормов в условиях предприятий малых форм хозяйствования;

- обобщенная структурная схема процессов приготовления основных компонентов рациона на основе принципа трансформации кормовых потоков;

- закономерности влияния структуры технологических линий, состава и параметров технических средств приготовления кормов на показатели качества и ресурсосбережения;

- уточненные математические модели определения рациональных значений параметров рабочих органов технических средств;

- регрессионные модели оптимизации параметров модернизированных машин во взаимосвязи с показателями их работы в процессе получения качественно-количественного состава композиций при трансформации потоков кормов в подсистемах;

- рекомендации производству и их технико-экономическая оценка;

- комплекс технологических и технических решений, направленных на ресурсосбережение и эффективности работы линий приготовления кормов на животноводческих предприятиях малых форм хозяйствования.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность выводов и предложений подтверждается сходимостью результатов теоретических, экспериментальных и производственных исследований.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на IV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Науч-

ное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2010 г.) с присвоением III места среди преподавателей и научных сотрудников; конкурсе Министерства сельского хозяйства РФ среди молодых ученых (Саратовский ГАУ, 2014 г.) и (Ставропольский ГАУ, 2015 г.); XIV Международной агропромышленной выставке «Золотая Нива» (Краснодарский край, г. Усть-Лабинск, 2014-2018 г.); общегородском конкурсе «Инновационный Краснодар» (Краснодар, 2014 г.); Московском международном Салоне изобретений и инноваций «Архимед» (Москва, 2015 г., серебряная медаль; 2016 г. - золотая медаль); Международном научно-практическом форуме «Россия - Казахстан» (Сочи, 2015 г.), Международном научно-практическом форуме «Россия - Армения» (Армения, Ереван, 2015 г.); заседании НТС агропромышленного комитета Ставропольского края (Ставрополь, 2015 г.); IV Международной конференции «Инновационные разработки молодых ученых - развитию агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Всероссийский НИИ овцеводства и козоводства», Ставрополь, 2015 г.); научно-технической конференции Азово-Черноморского ГАА (Зерноград, 2016 г.), заседании Ассоциации крестьянских (фермерских) хозяйств Республики Адыгея (Майкоп, 2017 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» в рамках агропромышленной выставки «Агроуниверсал» (Ставрополь, 2018 г.); Международной научно-технической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства» (Москва, ФНАЦ ВИМ, 2018 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в более 50 печатных изданиях, в том числе 3 статьи в международных базах данных Web of Science, 22 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, Змонографиях, 5 учебных пособиях с грифом УМО, получено 17 патентов РФ на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 308 страницах компьютерного текста, в том числе 269 страниц основного текста, 33 таблицы, 146 иллюстраций, список литературы из 311 наименований.

1 ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Животноводческие объекты малых форм хозяйствования в нормативных документах

Для обоснования объекта научного исследования необходимо определить векторы повышения производства животноводческой продукции в соответствии с классификационными признаками предприятий малых форм хозяйствования в целом и в частности в аграрном секторе животноводства.

В зарубежных странах классификация фермерских хозяйств проводится по ряду коренных признаков - размеры ферм, уровень и структура их доходов, на основании которых выделяют пять типов: личное подсобное хозяйство (Л 11IX), фермерское хозяйство, индивидуальная семейная ферма, семейно-групповая ферма (партнерство), акционерная компания (корпорация).

Так как в современных условиях Российской Федерации характерной особенностью развития животноводства остается многоукладность и производство его продукции осуществляется как в крупных и средних, так и малых предприятиях различных форм хозяйствования. Для этого рассмотрим основные определения малых ферм и классификационные признаки в нормативных документах РФ.

В Федеральном законе «О развитии малого и среднего предпринимательства в РФ» записано, что к субъектам малого и среднего предпринимательства относятся зарегистрированные в соответствии с законодательством РФ хозяйственные общества, хозяйственные партнерства, производственные кооперативы, потребительские кооперативы, крестьянские (фермерские) хозяйства и индивидуальные предприниматели [18]. По предельным значениям среднесписочной численности работников для каждой категории субъектов малого и среднего предпринимательства выделяются:

□ средние предприятия - от 101 до 250 человек;

□ малые предприятия - до 100 человек;

□ микропредприятия - до 15 человек.

Также категория субъекта малого или среднего предпринимательства может быть определена в зависимости от величины полученного дохода [18].

Предприятия малой мощности, прежде всего, относятся к перерабатывающей отрасли сельского хозяйства. Образование такого рода предприятий связано с появлением различных форм собственности, перестройкой экономики в целом и для сложившихся в нашей стране условий следует считать оправданной и обеспечивающих снабжение населения, в первую очередь проживающего в сельской местности и близлежащих городов, высококачественными продуктами питания.

Вопросы в этом секторе регулируются следующими нормативными документами: РД-АПК 1.10.01.03-12 «...проектированию ферм крупного рогатого скота крестьянских хозяйств» [19]; НТП-АПК 1.10.01.001-00 «... проектирования ферм крупного рогатого скота крестьянских хозяйств» [20]; НТП-АПК 1.10.02.001-00 «.проектирования свиноводческих ферм крестьянских хозяйств» [21]; НТП-АПК 1.10.07.001-02 «..проектирования ветеринарных объектов для животноводческих. предприятий и крестьянских хозяйств» [22]; ВНТП 540/699-92. «.проектирования семейных ферм и предприятий малой мощности перерабатывающих отраслей (мясная отрасль) [23]; ВНТП 645/164592. «.проектирования семейных ферм и предприятий малой мощности перерабатывающих отраслей (молочная отрасль) [24] и другие.

В документе РД-АПК 1.10.01.03-12 [19] при указании размеров санитар-но-защитной зоны приведены размерные характеристики животноводческих хозяйств (таблица 1.1).

Хозяйства с поголовьем 5-15 голов относятся к личным подсобным хозяйствам (подворьям), проектируемым с учетом требований СП 42.13330.2011 и СП 55.13330.2011 [19].

Таблица 1.1- Направления и размеры крестьянских (фермерских) хозяйств

Хозяйства Единица измерения Размер хозяйства

Крестьянские (фермерские) хозяйства

По производству молока Коров 8-50 51-100

По выращиванию нетелей Скотомест 18-50 51-100 101-400

Мясные с полным оборотом стада и ре-продукторные Коров 8-50 51-100

По выращиванию телят, доращиванию и откорму молодняка крупного рогатого скота Скотомест 16-50 51-100 101-200 201-400

Откормочные площадки Скотомест До 50 51-100 101-200 201-500

В ФЗ «О личном подсобном хозяйстве» отмечается, что личное подсобное хозяйство - форма непредпринимательской деятельности по производству и переработке сельхоз продукции в целях удовлетворения личных потребностей на предоставленном или приобретенном земельном участке общей площадью до 0,5 га, которая может быть увеличена, но не более чем в пять раз [25].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Сысоев Денис Петрович, 2019 год

// // // \

-!►

1,9

Рисунок 4.21 - Зависимость производительности Р от кинематического режима X (----расчетная Р = /(X) по выражению (2.194), -практическая)

Затем наблюдается снижение фактической производительности до значения Р = 2500 кг/ч при X = 2,5. Это объясняется тем, что время взаимодействия полусфер навивки с поверхностью корнеплода, снижается, в результате чего последний «перескакивает» через виток навивки шнека и тем самым замедляет перемещение в осевом направлении шнеков, что в свою очередь ведет к снижению производительности и повышению травмирования корнеплодов.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что оптимальные значения факторов лежат в пределах:

- для кинематического режима А от 2 до 2,25 (х} = -0,154. 0,222);

- для диаметра шнеков Б от 0,175 до 0,185 м (х2 = -0,437.0,079);

- для шага шнековой навивки ? от 0,7 до 0,8 м (х3 = -0,059. 0,199);

_3

- для длины рабочей зоны очистки ЬТР от 1,5 до 1,6 м (х4 = -8,234-10 ... 0,035).

В процессе экспериментальных исследований решалась компромиссная задача, с целью решения компромисса между критериями оптимизации - производительностью и энергозатратами и были получены оптимальные значения:

1,6

2,2

- кинематический режим X = 2,2 (х] = 0,068);

- диаметр шнеков Б = 0,178 м (х2 = -0,179);

- шаг навивки шнеков ? = 0,71 м (х3 = 0,07);

- длина рабочей зоны очистки ЬТР = 1,5 м (х4 = 0,013).

Значения критериев оптимизации, при оптимальном сочетании факторов следующие: производительность Q = 2500 кг/ч; степень очистки £ =0,9554%; энергозатраты N =71 Вт • ч/кг.

4.3 Обоснование параметров измельчителя в процессе измельчения грубых кормов комбинированными режущими сегментами дискового рабочего органа

При исследовании процесса измельчения решалась задача определения наиболее значимых факторов, построения математической модели и оптимизация конструктивно-режимных параметров измельчителя. Анализ априорной информации и поисковых исследований показал, что наиболее значимыми являются следующие факторы: угловая скорость вращения рабочего органа (□), количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру рабочего органа (К), количество двухплоскостных дугового профиля сегментов (п) и угол между поверхностью рабочего органа и горизонтальными зубчатыми элементами (а). Уровни варьирования факторов приведены в таблице 4.5. В качестве критериев оптимизации были выбраны: энергозатраты (У1); время измельчения материала (У2); средневзвешенная длина частиц (У3) по методам (см. гл. 3).

Таблица 4.5 - Факторы и уровни их варьирования

Угловая Количество зуб- Количество Угол между поверхно-

Факторы и скорость чатых сегментов, двухплоскост- стью рабочего органа

обозначение вращения расположенных ных дугового и горизонтальными

уровня рабочего органа, □, с-1 по периметру ра- профиля сег- зубчатыми элемента-

бочего органа, Ъ ментов, п ми, а, град.

Х1 Х2 Х3 Х4

Верхний (+) 1,6 9 9 40

Основной (0) 3,2 6 6 35

Нижний (-) 4,8 3 3 30

Для оценки влияния факторов по результатам эксперимента были получены регрессионные уравнения в кодированном виде:

- энергозатраты (У1):

У1 = - 8,26028 - 0,00037Х1 + 0,7526667Х2 + 1,0124Х3 + 0,857933Х4 -- 0,0001Х1Х2 + 0,0000036Х1Х3 + 0,000099Х1Х4 + 0,0185Х2Х3 -- 0,0232Х2Х4 - 0,0071Х3Х4 - 0,05Х22 - 0,0773667Х32 - 0,01103Х42 (4.13)

- время измельчения материала (У2):

У2 = 51,323167 - 0,011167Х1 + 3,432033Х2 - 5,7651Х3 - 1,7806Х4 - 0,0001Х1Х2 -

- 0,001Х1Х3 - 0,00004Х1Х4 - 0,6866Х2Х3 + 0,0778Х2Х4 + 0,0559Х3Х4 +

+ 0,00000063Х12 - 0,2463Х22 + 0,5349Х32 + 0,018766667Х42 (4.14)

- средневзвешенная длина частиц (У3):

У3 = 25,83167 - 0,00647X1 - 1,115967Х2 - 2,3392X3 - 1,224367X4 - 0,0004X1X2 -- 0,0006X1X3 + 0,0000^^ + 0,0895X2X3 - 0,0056X2X4 + 0,0^^ +

+ 0,0000023X12 + 0,0616X22+ 0,1638X32+ 0,01767X42 (4.15)

Адекватность моделей подтверждается с вероятностью Рд = 0,965 при коэффициентах корреляции = 0,94203 иЯ2 = 0,98269.

Переходя от кодированных значений факторов X2, X3, X4) к натуральным (□, Ъ, п, а) получены следующие уравнения:

- энергозатраты (У1):

N = 2,57 + 0,58^ + 0,06Ъ + 0,8п + 0,75а - 0,0002^ Ъ + 0,0001 □ а -

- 0,0055 - 0,0006 Ъ2 - 0,0077п2 - 0,007а2, (4.16)

-время измельчения материала (У2):

Т = 18,44 - 11,41 □ + 1,47Ъ - 5,34п - 1,9а - 0,0017Ъп + 0,001па +

+ 0,109^2 - 0,014Ъ2 + 0,0521667п2 + 0,0184667а2, (4.17)

-средневзвешенная длина частиц (У3):

Ьср = 5,63 - 1,95^ - 1,9Ъ - 2,91п - 0,25а - 0,0003 □Ъ - 0,0005^п +

+ 0,0002Ъп + 0,019^ + 0,018Ъ2 + 0,028п2 + 0,00247а2. (4.18)

После получения адекватных математических моделей процесса, определялись координаты оптимума и изучались поверхности отклика.

В процессе экспериментальных исследований решалась компромиссная задача, результатом решения которой явились независимые переменные, имеющие следующие значения: угловая скорость вращения измельчающего рабочего органа ю = 4,6 с-1 (Х1 = -0,16); количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру измельчающего рабочего органа 2 = 9, (Х2 = 0,89); количество измельчающих двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 9 (Х3 = 0,87); угол между поверхностью рабочего органа и горизонтальными зубчатыми элементами а = 300 (Х4 = 0,5).

В результате поисковых исследований было выбрано оптимальное количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру рабочего органа Ъ = 6-9; количество двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 7-9; угол между измельчающим рабочим органом конусного типа и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами а = 30...35°. И для дальнейших экспериментальных исследований оптимизации параметров измельчителя использовали принятые значения. В результате обработки полученных данных были построены график влияния выбранных параметров на производительность и мощность исследуемого измельчителя (рисунок 4.22-4.23).

Анализируя график зависимости на рисунке 4.22 можно увидеть, что при низкой угловой скорости ю = 1,6 с-1 размер частиц составляет от 80 мм и выше, что обусловлено силами сопротивления трения, инерционностью рабочего органа. По мере увеличения угловой скорости, под действием центробежных сил, корм попадает на измельчающие двухплоскостные дугового профиля элементы и зубчатые сегменты, расположенные по периметру рабочего органа, на режущих кромках которых происходит измельчение как вдоль так и поперек волокон. При угловой скорости вращения ю = 3,14 с-1 и выше, средневзвешенная длина частиц составляет Ьср = 45 мм, что соответствует зоотехническим требованиям. При угловой скорости вращения рабочего органа ю от 2,1 до 5,2 с-1, производительность машины увеличиватся от 110 до 800 кг/ч. Это обусловлено цетробежными силами и создаваемым воздушным потоком, создающим эффект всасывания, что обеспечивает увеличение скорости измельчения корма, чем на низких частотах вращения рабочего органа.

Рисунок 4.22 - Графики зависимостей средневзвешенной длины частиц, удельных энергозатрат, производительности от угловой скорости рабочего органа

Зависимость удельных энергозатрат Куд на рисунке 4.22 показывает, что максимальное значение Куд = 0,0079 кВт ч/кг находится при угловой скорости рабочего органа равной ю = 3,14 с-1. В первоначальный момент времени, значения минимальные и составляют Куд = 0,005 кВт ч/кг, при этом длина частиц составляет Ьср = 70-80 мм.

кВт 41 кг

¡Зг мг/ч Ьср мм

Л-

12 №

0,00:3

и,

У

= 0

\

а

3 6 9

Рисунок 4.23 - Графики зависимостей средневзвешенной длины частиц, удельных энергозатрат, производительности от количество измельчающих двухплоскостных

дугового профиля сегментов, п

Анализируя зависимость (рисунок 4.23) можно отметить, что при количестве двухплоскостных дугового профиля сегментов, п = 6 шт. значение производительности составила Р= 1100 кг/ч, при этом средневзвешенная длина частиц Ьср = 50 мм, а удельные энергозатраты минимальны Муд = 0,002 кВт ч/кг, что согласуется с предыдущими графиками.

При оптимальном сочетании факторов на процесс, были построены поверхности откликов У1, У2 и У3 и их сечения (рисунки 4.24-4.27). Для этого уравнения регрессии сводились к уравнениям с двумя факторами, фиксируя остальные на постоянных уровнях.

Рисунок 4.24 - Сечение поверхности времени измельчения материала на плоскость Х1 = +1 (□ = 4,8 с-1) иХ4 = +1 (а = 40°)

Рисунок 4.25 - Сечение поверхности времени измельчения материала на плоскость Х3 = +1 (п = 9 шт.)

и Х4 = -1 (а = 30°)

X «

Рисунок 4.26 - Сечение поверхности времени измельчения материала на плоскость Х! = 0 (□ = 3,2 с-1) и Х3 = -1(п =3 шт.)

л ..,

I Ч \ \ \ \ \ ч [ \ 1 \ \ \ \ \ I ^ Ч \ \ \

\ \ \ \ И \ \ I \ \ \ \ \ \ \ К ^ \ \ \ \ \ ^

■ и:1. \ \ К \ \ V \

' Г1 и \ \ \ \

■ \ \ \ \ \ \

■ И \ 1 \

■ м \

И 1 I

■ \ 1

ЧЧ1) I I 1

■ 1: Ш 1Е I—1

□ ¿э

П18

КЗ

16 ■ 1-

Рисунок 4.27 - Сечение поверхности времени измельчения материала на плоскость Х2 = 0 (2 = 6) и Х3 = +1 (п = 9 шт.)

Анализ сечений (рисунки 4.24-4.27) показывает, что время измельчения материала массой 1 кг варьируется в пределах от 10 до 28 с. При количестве зубчатых сегментов, расположенных по периметру измельчающего рабочего

органа Ъ = 9 шт., количеством измельчающих двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 8 шт. и угловая скорость вращения измельчающего рабочего органа изменяется в пределах □ от 4,6 до 4,8 с-1, время измельчения Т = 10 с, что является оптимальным показателем.

Анализ зависимостей представленных на рисунках 4.28-4.31 показывает, что при средневзвешенной длине частиц измельченного корма Ьср = 50-60 мм, оптимальной является угловая скорость вращения рабочего органа в пределах □ от 3,2 до 3,89 с-1, количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру измельчающего рабочего органа Ъ = 7-9. Тогда необходимым количеством измельчающих двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 7-9. при угле а, изменяющимся от 330 до 350 При этом эти значения подтверждаются анализом зависимостей, представленных на рисунках 4.24-4.27.

Рисунок 4.28 - Сечение поверхности средневзвешенной длины на плоскость

Xi = 0 (□ = 3,2 (Г1) и Х4 = -1 (а = 30°) у;-"/ у у у /■ —^-]

и f f ///// / у

j ////// / / / --1

/ / / ////// ■ Ш / / / / / / »///////

■ i i i / / / is

м «

II iff !

Ш í i i i Í

■I í í í ; I

Щ i ! i I i

! ! ! ! ¡

4 1 1 I í

\ \ { ) \ \ i

i ■

i \

\ \ \ \ \ \ \ \ Ш i \ \ \ \ N \

Рисунок 4.30 - Сечение поверхности средневзвешенной длины на плоскость Xi = +1 (□ = 4, с-1) и Х3 = -1 (n = 3)

Рисунок 4.29 - Сечение поверхности средневзвешенной длины на плоскость

X2 = -l (Z = 3) иХд = -1 (а = 30°)

■ / / / / / х i / / / iff/ / Щ / if// / 1 i г í / / f / mili / i / /

1 ; ; / / i fililí i 1 i / i 1 1 lili ! I i i i I !

J i i i 1 í Ш 1 1 'i

Щ [\ И \ \ К': ' \ \ \ Ш i \ \ \ \

I M \ \ '1 \ \ \

Рисунок 4.31 - Сечение поверхности средневзвешенной длины на плоскость X2 = -1 (Z = 3) и X3 = +1 (n = 9)

Анализ зависимостей (рисунки 4.32-4.31) показывает, что минимальные энергозатраты составили N = 1,5 кВт, при угловой скорости вращения рабочего органа □ в пределах от 1,6 до 2,2 с-1, при количестве зубчатых сегментов, расположенных по периметру рабочего органа Ъ = 6-9, при двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 3, а угол между поверхностью рабочего органа и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами а = 30-320.

X «

а:;

О

--1Е-

1 тч

15. ■ 1 2£

Рисунок 4.32 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость

Х!=-1(П= 1,6 с 1)иХ4 = -1(а = 30°)

Рисунок 4.33 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость

Х2 = +1 (Ъ = 9 шт.) и Х3 = -1 (п = 3 шт.)

х "

Я «

Рисунок 4.34 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х1 = +1 (□ = 4,6 с-1) и Х3 = +1 (п = 9 шт.)

Рисунок 4.35 - Сечение поверхности

энергозатрат на плоскость Х2 = -1 (Ъ = 3 шт.) и Х3 = 0 (п = 6 шт.)

В ходе исследований установлено существенное влияние на процесс измельчения следующих факторов: угловая скорость рабочего органа (□); количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру рабочего органа (Ъ); количество двухплоскостных дугового профиля сегментов (п).

Наименьшее влияние исследуемых факторов, на процесс измельчения оказывает угол между измельчающим рабочим органом и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами (а).

Исходя, из анализа вышеперечисленных зависимостей, определены оптимальные значения факторов, при которых Ьср = 50 мм, Т = 10 секунд, а N = 2,75 кВт; угловая скорость рабочего органа ю в пределах от 3,2 до 4,6 с-1; количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру рабочего органа Ъ = 6-9; количество двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 7-9; угол между измельчающим рабочим органом и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами а в пределах от 300 до 350.

Из анализа графика рассеивания для критериев оптимизации средневзвешенной длины частиц (Ьср) и энергозатраты (рисунок 4.36) можно сделать вывод о том, что Ьср изменяется в пределах от 50 до 100 мм, что обеспечивается N изменяющейся в пределах от 0,5 до 3,4 кВт.

Рисунок 4.36 - График рассеивания для критериев оптимизации средневзвешенная длина частиц (Ьср), энергозатраты (№)

Рисунок 4.37 - График рассеивания для критериев оптимизации время измельчения материала (Т), средневзвешенная длина частиц (Ьср)

Из анализа графика рассеивания для критериев оптимизации времени измельчения материала (Т) средневзвешенной длины частиц (Ьср) (рисунок 4.37) можно сделать вывод о том, что Ьср изменяется в пределах от 50 до 100.

Рисунок 4.38 - График рассеивания для критериев оптимизации энергозатраты (Ы), время измельчения материала (Т)

Из анализа графика рассеивания для критериев оптимизации: энергозатраты (Ы), время измельчения материала (Т), (рисунок 4.38) можно сделать вывод о том, N изменяется в пределах от 0,5 до 3,4 кВт, что соответствует времени измельчения материала Т от 10 до 30 с.

Сходимость результатов производительности измельчителя (рисунок 4.39), полученных экспериментальным и теоретическим путем определялась согласно критерию Фишера и не превышает 7%.

О.кг/ч

л.

*

5.2 га.сг1

(----теоретическая Q = /(ю) по выражению (2.154);- - экспериментальная)

Рисунок 4.39 - График зависимости производительности Q от угловой скорости

вращения рабочего органа ю

4.4 Обоснование параметров процесса приготовления кормовых смесей из компонентов рациона послойно загруженных в бункер измельчителя-смесителя

Анализ ранее проведенных исследований процессов измельчения и смешивания кормов позволил из всего многообразия факторов, влияющих на данные процессы, выделить четыре наиболее значимых и назначить уровни их варьирования (см. гл. 3).

Для оценки эффективности процесса одновременного измельчения и смешивания выбрано три критерия оптимизации: 5 - неоднородность смеси, X

- однородность гранулометрического состава и Ыуд - энергия, затрачиваемая на измельчение и смешивание материала.

Общий характер функциональной зависимости протекания процесса одновременного измельчения и смешивания продукта был определен поисковыми экспериментами. При этом выяснилось, что в области, близкой к экстремуму математическая модель отклика не является линейной, поэтому для ее адекватного описания необходимо использовать нелинейные полиномы. Для этой цели использовали полином второго порядка, который достаточно полно описывает процесс одновременного измельчения и смешивания компонентов. Исследование характера влияния основных факторов на критерий оптимизации позволит обосновать вид математической модели, описывающей процесс, оценить степень достоверности теоретической модели и выбрать центр многофакторного эксперимента [11].

По результатам исследования условию значимости удовлетворяют четыре фактора: 'с - х1 - влажность грубых кормов, %; Б - х2 - шаг витка шнека, м; 21

- х3 - количество сегментов на одном витке шнека, шт; ип - х4 - линейная скорость подающего транспортера, м/с.

На основе предварительных опытов были выбраны интервалы варьирования факторов, соответствующих стационарной области функции отклика. Дальнейшие исследования по изучению процесса одновременного измельчения и смешивания проводились по вышеуказанным факторам (таблица 4.7).

Таблица 4.7 - Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Обозначения Х1 Х2 Х3 Х4

Центр эксперимента Х0 20 0,3 11 0,025

Интервал варьирования Е 5 0,1 3 0,020

Верхний уровень +1 25 0,4 14 0,045

Нижний уровень -1 15 0,2 8 0,005

Экспериментальные исследования проводились на основании известных методик [1, 83]. Для описания процесса полиномом второго порядка выбран ортогональный план полного факторного эксперимента [83].

После обработки данных полного факторного эксперимента (программа Statistica 6.0 фирмы StatSoft (USA)) получили уравнения регрессии математической модели второго порядка, расчетные значения коэффициентов регрессии приведены в приложениях.

Регрессионная модель, после исключения из нее статистически незначимых коэффициентов по критерию Стьюдента [83], представится в виде:

- для неоднородности смеси:

Y1 = 12,4663 - 0,5613Х1 + 0,6283Х2 + 0,9853Х3 + 0,7088Х4 - 0,095258Х1Х2-

- 0,001Х1Х4 - 0,02Х2Х3 - 0,56881Х2Х4 - 0,047894Х3Х4 + 0,0053Х12 -

- 0,00593Х22 - 0,0096667Х32 - 0,007Х/ (4.1)

- для однородности гранулометрического состава:

Y2 = 87,02 + 1,335Х1 - 1,64Х2 + 0,9Х3 - 2,665Х4 - 0,2Х1Х3 -

- 0,25Х1Х4- 0,1Х2Х3 + 0,07Х2Х4- 0,063Х3Х4- 0,013Х12+ 0,016Х22-

- 0,0085Х32 + 0,026Х42 (4.2)

- для затрат энергии на процесс измельчения и смешивания:

Y3 = 1,6 + 0,23Х1- 0,16Х2+ 0,03Х3- 0,14Х4- 0,02Х1Х2-- 0,01Х1Х4+ 0,01Х2Х3 + 0,03Х2Х4- 0,005Х3Х4+ 0,0015Х22 (4.3)

Адекватность модели оценивалась по критерию Фишера [92]

F=S2if/S2y

Табличное значение критерия Фишера с уровнем значимости А =0,05 равно F = 2,8. Значение критерия Фишера в моделях:

- неоднородность смеси F = 2,72;

- однородность гранулометрического состава F = 2,67;

- энергия, затрачиваемая на процесс измельчения и смешивания: F = 2,63. Сравнение расчетных значений с табличными показало, что расчетное

меньше табличного. Следовательно, регрессионные модели адекватны.

При оптимизации факторов (влажность кормов, шаг витка шнека, количество сегментов на одном витке шнека и скорость подающего транспортера), валяющих на процесс одновременного измельчения и смешивания использовалась методика многокритериальной оценки рациональных факторов. Рассматривались критерии: неоднородность смеси, однородность гранулометрического состава и энергозатраты. При оптимизации использовался принцип выделения одного основного фактора неоднородность смеси, а остальные (однородность гранулометрического состава и энергозатраты) в качестве ограничений в пределах варьирования определенными условиями рационального функционирования раздатчика-смесителя.

Использован известный метод нелинейного программирования - метод сканирования с ограничениями.

5 =12,5 - 0,56W(; + 0,63S + 0,99Z1 + 0,7un - Л

- 0,095WсS - 0,001W^n - 0,02SZi - 0,57SUn -

- 0,048Z1un + 0,005W(2 - 0,006S2 - 0,01Z12 - 0,007un2 5 ^ min

Ограничения: X =87,02 + 1,335Wc; - 1,64S + 0,9Z1 - 2,665un -

- 0,2W(;Z1 - 0,25W(;un - 0,1SZ1 + 0,07Sun - 0,063Z1un -

- 0,013Wс2 + 0,016S2- 0,0085Z12 + 0,026un2 85 < X < 98%

ЪГуд=1,64 + 0,23Wс - 0,16S + 0,03Z1 - 0,14un - 0,02WсS -

- 0,0Шси + 0,01SZ1 + 0,03Sun - 0,005Z1un +0,0015S2 N^ ^ min J

Разработаны программы для поиска искомых рациональных параметров. При решении установлено, что минимальная неоднородность смеси 5 = 9,7 % будет достигнута при следующих условиях: шаг навивки шнека S = 0,2 м, количество сегментов на одном витке шнека Z1 = 8, скорость транспортёра un = 0,005 м/с, при максимальной влажности W= 17 % (по зоотребованиям). Ре-

>(А)

шив систему уравнений (4.2 и 4.3), подставив полученные оптимальные значения факторов и введя ограничение, получили однородность гранулометрического состава X = 89,264 %; расчётная энергозатраты N = 7,8 кВт, меньше аналога СРК-11В-8 у которого она составляет 15 кВт. Полученные результаты оптимизации удовлетворяют решению системы (А) с заданными ограничениями.

Переходя от кодированных значений факторов (Х1, Х2, Х3, Х4) к натуральным Б, 21, ип) получены зависимости показателей неоднородности смеси (5, %), однородности гранулометрического состава (X, %) и энергозатраты (^д, кВт) от основных технологических факторов, которые приняли вид:

- для неоднородности смеси:

5 = 8825,429 - 9,99114Wс + 163,358Б + 10,838371 + 9,9232ип - 440,854WсS -

- 0,2492WсUn- 57,2Б^ - 2070,4684Бип - 7,375677^+ 1,6793Wс2-

-400,868Б2- 1,16967712- 1,372и2 ; (4.5)

- для однородности гранулометрического состава:

X = 357,201 + 23,7612Wс-425,984S+ 10,164^ -37,31ип + 18,512WсS-

-39,16WсZl -62,88562WсUn-286,1SZl + 251,382Бип-9,6576571^п-

- 4,0872Wс2+1047,8S2 - 1,02487712+ 5,0901ип2; (4.6)

- для энергопотребления:

= 1777,107+ 4,07086Wс - 41,8262S + 0,377371 - 1,95678ип - 78,676WсS -

- 1,52635WсUn + 32,604SZl + 94,64SUn - 0,76692^ - 0,6865Wс2 +

+ 101,4S2- 0,040293^2+ 0,26786ип2; (4.7)

4.5.1 Влияние конструктивно-режимных факторов на процесс измельчения

В результате теоретических и поисковых исследований были установлены основные факторы, влияющие на процесс одновременного измельчения и смешивания: влажность грубых кормов Х1^с), шаг витка шнека Х2^), количество сегментов на одном витке шнека Х3(71) и скорость подающего транспортера

Х(ип).

Методика исследования поверхности отклика с помощью двумерных сечений подробно изложена в работах [33, 95, 116, 132].

Результаты исследований влияния вышеуказанных факторов на процесс измельчения представлены на рисунках 4.40-4.43.

1

\

Я

Х1

197 I 95 | 93

I О 91 I I 89

^85 Ш 33 ■ ЕМ | 79

1 '.........!...... 1 ! / ) 1 / / А /

/ / /

/ у'

Щг /' у __—-

/ У / у'' X _____—.

• г' ^л

Рисунок 4.40 - Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х1(Шс)Х3(21) при Х2=-1 (8 =0,2 м) и Х4=0 (ип =0,025 м/с)

о

Х2

I 183 ■ 81 + 1 Ш

Рисунок 4.41 - Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х2(8)Х3(21) при Х1=-1 (Шс=15 %) иХ4=0 (г)„ =0,025 м/с)

Рисунок 4.42 - Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х3(21)Х4(ип) при Х1=-1 (Шс=15 %) и Х2=0 (8 =0,3 м)

Рисунок 4.43 - Сечение поверхности однородности гранулометрического состава на плоскость Х2(8)Х4(ип) при Х!=-1 (Шс=15 %) и Х3=0 ^=11 шт.)

Анализ влияния влажности грубых кормов 'с на процесс измельчения (рисунок 4.40) показывает, что с увеличением 'с до 25 % стебли становятся гибкими и эластичными что приводит к их наматыванию на сегменты измель-чающе-смешивающего аппарата, а это ведет к снижению однородности гранулометрического состава до 80 %.

Анализ зависимостей (рисунки 4.41 и 4.42) показывает, что влияние шага витка шнека Х2(Б) на процесс измельчения относительно не существенен, по сравнению с влиянием количества сегментов Х3(71) и скоростью подающего транспортера Х4(ип). Снижение количества сегментов до 8 шт. ведет к снижению однородности гранулометрического состава до 86 %. Это обусловлено минимальным воздействием измельчающих сегментов на подаваемые компо-

ненты кормов. При увеличении количества сегментов до 14 штук однородности гранулометрического состава возрастает до 95 %. Как показал экспериментальный анализ, однородность гранулометрического состава находится в пределах зоотехнических требований при количестве сегментов Z1 = 11 шт.

Для обоснования конструктивно-режимных параметров установки линейная скорость подающего транспортера изменялась от 0,005 м/с до 0,045 м/с.

Анализ влияния линейной скорости подающего транспортера (рисунки 4.42 и 4.43) показал, что при минимальных значениях скоростей ип=0,005-0,017 м/с однородность гранулометрического состава составляет от 85 до 95 %. Это можно объяснить тем, что к измельчающе-смешивающему аппарату подается минимальное количество корма в единицу времени, что приводит к активному воздействию сегментов с подаваемыми компонентами кормовой смеси. На участке скоростей 0,018-0,045 м/с однородность гранулометрического состава находится ниже 85 %, что не удовлетворяет зоотехническим требованиям.

Как показал анализ зависимостей X^W^, X2(S), X3(Z1) и Х4(ип) максимально необходимая однородность гранулометрического состава находится на оптимальном уровне, необходимом для выполнения технологического процесса приготовления кормовой смеси Y2 = 89-93 % при шаге витка шнека (Х2) S = 0,22-0,24 м, влажности грубых кормов (Х1) Wc = 17.21 %, количестве сегментов на одном витке шнека (Х3) Z1 = 11 шт. и скорости подающего транспортера (Х4) Un = 0,14-0,17 м/с.

Результаты однородности гранулометрического состава обрабатывались в программе Statistica 6.0 фирмы StatSoft (USA)). Столбчатые диаграммы распределения частиц грубых кормов по длине представлены на рисунке 4.44.

Анализ размеров частиц грубых кормов показывает:

1. Длина варьирует от 11 до 89 мм.

2. Размеры частиц грубых кормов распределены по нормальному закону.

3. Средняя длина частиц составляет: от 10 до 20-15 %, от 20 до 50-70 %, от 50 до 70-13 %, свыше 70 мм - 2 %, что соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к процессу измельчения.

23 2В

24 22

20 * 15

I 16

та

о 1а £ б 4 2 3

11,0 15,В 25-, е 34,4 42,2 50,0 57,В 65.6 73,4 01,2 В9.0

Дпиьа частиц, мм

Рисунок 4.44 - Гистограммы распределения частиц грубых кормов по длине 4.5.2 Влияние конструктивно-режимных факторов на процесс смешивания

Из анализа литературных источников и результатов экспериментальных исследований выявлено, что процесс смешивания в измельчающе-смешивающем аппарате шнекового типа происходит при выходе кормовых компонентов на выгрузной транспортер, а также в межвитковом пространстве параллельно расположенных шнеков при перемещении кормов относительно осей шнеков.

Основными конструктивно-режимными параметрами, влияющими на процесс смешивания, является скорость подающего транспортера (Х4) ип и шаг витка шнека (Х2) Б.

Анализ исследования влияния линейной скорости подающего транспортера на процесс смешивания (рисунок 4.45) дает возможность сделать вывод, что при скорости Х4(ип) от 0,005 до 0,017 м/с показатель однородности смеси находится на оптимальном уровне 5 = 6-12,3 %, соответствующим зоотехническим требованиям. Увеличение линейной скорости подающего транспортера Х4(ип) от 0,017 до 0,045 м/с ведет к возрастанию неоднородности смеси от 15 до 20 %. Это обусловлено взаимодействием повышенного количества подаваемого кормового материала с рабочими элементами измельчающе-смешивающего аппарата, что выходит за нормы зоотехнических требований.

Рисунок 4.45 - Сечение поверхности неоднородности смеси на плоскость Х2(Б)Х4(ип) при Х1 = -1 (Шс = 15 %) и Х3 =0 (г, = 11 шт.)

Рисунок 4.46 - Сечение поверхности неоднородности смеси на плоскость Х1(Шс)Х2(Б) при Хз = -1 = 8 шт.) и Х4 = 0 (ип = 0,025 м/с)

Рисунок 4.47 - Сечение поверхности неоднородности смеси на плоскость Х^Х^) при Х!=-1 (Шс=15 %) и Х4=0 (ип =0,025 м/с)

Рисунок 4.48 - Сечение поверхности неоднородности смеси на плоскость Х1(Шс)Х4(ип) при Х2=-1 (Б =0,2 м) и Х3=0 11 шт)

При шаге витка шнека Х2(Б) 0,20-0,25 м (рисунок 4.45) значение показателя неоднородности смеси находится в пределе 15 %. Увеличение шага витка шнека от 0,25 до 0,36 м приводит к повышению неоднородности смеси до 20 %, что не удовлетворяет зоотехническим требованиям.

Анализ зависимости (рисунок 4.46) влияние количества сегментов объясняется лишь отделением порций корма от общего объема кормовой массы. При количестве сегментов 21 = 8 шт. происходит минимальное взаимодействие сегментов на отделяемые кормовые компоненты. При максимальном количестве сегментов 21 = 12-14 шт. происходит заполнение пространства между сегментами и накопление массы, что в свою очередь повышает неоднородность смеси до 20 %.

Анализ влияния влажности грубого корма показал, что повышение влажности кормов приводит к увеличению неоднородности смеси (рисунок 4.46 и 4.48). Объяснение очевидно, чем больше влажность корма, тем меньше подвижность частиц и, следовательно, меньше способность их к смешиванию.

Анализ зависимостей представленных на рисунках 4.45-4.48 показывает, что оптимальные значения шага витка шнека находятся в пределах S = 0,23... 0,25 м, линейной скорости подающего транспортера un = 0,008.0,013 м/с, при этом влажность грубых кормов находится в пределах W(;= 17...21 %, а количество сегментов на одном витке шнека (Х3) Z1 = 11 шт. При данных значениях вышеизложенных показателей критерий оптимизации неоднородности смеси находится на оптимальном уровне необходимом для выполнения технологического процесса смешивания кормовых компонентов 5 = 12,3 %, что соответствует зоотехническим требованиям.

4.5.3 Влияние конструктивно-режимных факторов на затраты энергии рабочего процесса

Анализ зависимости на рисунках (4.49), (4.50) и (4.51) показывает, что показатели энергозатрат минимальны и равны Куд= 1,1.1,7 кВт при влажности грубых кормов Wc; = 15-17 %. Увеличении влажности X^W^ до 25 %, при постоянном шаге витка S = const, ведет к возрастанию энегозатрат на процесс до 2,7 кВт. Это обусловлено увеличением силы резания, приходящегося на один сегмент, за счет увеличения плотности корма проходящего через измель-чающе-смешивающий аппарат за единицу времени (рисунок 4.50).

-0.5

Ш 2.7

[Н 2'5

I 12,3

I I S.-1 I I 1.0 □ 1.7

Рисунок 4.49 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х^Ш^Х^) при Х3= -1 (г1=8 шт.) и Х4=0 (ип =0,025 м/с)

2.7

■ 2.1 I I 1.9 □ 1.7 I I 1.5

■ 1.3

■ 1.1

Рисунок 4.50 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х1(Шс)Х3(21) при Х2 = -1 (8 = 0,2 м) и Х4=0 (ип =0,025 м/с)

' Ш / / / / /

.#//// / / к./ / / / / / / ■///// / / г / / / / / / "///// ■

////// ' / / / / /

w./ / л

\ \ \

\ \ \ \

к

л \ \ \

Ми п \ \ V]

Х1

■ 2'7

■ 2.5

■ 2,3

I 12.1

!□ 1.9

Ш1'5

■ 1.3

■ 1.1

Рисунок 4.51 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х1(Шс)Х4(ип) при Х2=-1 (Б=0,2 м) и Х3=0 (21=11 шт.)

Рисунок 4.53 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х2(Б)Х4(ип) при Х1=-1 (Шс=15 %) и Х3=0 (21=11 шт.)

Рисунок 4.52 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х2(8)Х3(2^ при

Х1=-1 (\УС=15 %) иХ4=0 (г)„ =0,025 м/с)

о

ХЗ

■ 2'7

■ 2.5

■ 2.3

■ 2.1 1.8

0 1.7

1 I 1.5

Ш 1.3

■ 1.1

Рисунок 4.54 - Сечение поверхности энергозатрат на плоскость Х3(2!)Х4(ип) при Х1=-1 (Шс=15 %) и Х2=0 (Б =0,3 м)

Результаты исследований влияния шага витка шнека на энергию, затрачиваемую на процесс одновременного измельчения и смешивания, представленные на рисунках (4.52) и (4.53), показали, что при шаге (Б) = 0,25-0,35 м значение мощности находится в пределе 1,6 кВт на одной фазе электродвигателя, а при (Б) 0,2-0,25 видно увеличение мощности до 2,7 кВт. Это можно объяснить увеличением сил трения вызванных повышением площади контакта шнековой навивки с компонентами кормовой смеси, а также увеличением плотности корма у стенок бункера.

Как показал анализ поверхностей двумерных сечений (рисунок 4.50, 4.52 и 4.54) количество сегментов Х3 (21) оказывает минимальное влияние на показатели энергозатрат. Линейная скорость подающего транспортера Х4(ип) оказы-

вает существенное влияние на энергозатраты измельчающе-смешивающего шнекового аппарата. Анализ данных зависимостей показывает, что с увеличением подачи в пять раз, затраты энергии возрастают в 2...2,5 раза. Это объясняется тем, что за один и тот же промежуток времени к измельчающе-смешивающему аппарату поступает разный объем кормового продукта, что обуславливает разные энергетические затраты для его измельчения и смешивания. При максимальной линейной скорости подающего транспортера Х4 (ип = 0,045 м/с) мощность затрачиваемая на процесс составляет 2,7 кВт.

Анализ зависимостей представленных на рисунках 4.49-4.54 показывает, что оптимальные значения энергозатрат Куд находится в пределах 1,2-1,6 кВт при шаге витка шнека Б = 0,24.0,28 м, линейной скорости подающего транспортера ип=0,008. 0,013 м/с, количестве сегментов на одном витке шнека 21= 10.11 шт. и влажности грубых кормов '^;=17%...21 %.

Анализ поверхностей сечений в окрестностях оптимума показал, что наибольшее влияние на процесс одновременного измельчения и смешивания оказывает линейная скорость подающего транспортера. Повышение линейной скорости подающего транспортера до 0,045 м/с приводит к увеличению энергозатрат процесса до Куд = 2,7 кВт, снижение однородности гранулометрического состава до 80 % и повышению неоднородности смеси до 20 %, что является ожидаемым из-за повышенного количества подаваемого кормового материала к измельчающе-смешивающему аппарату.

4.4.4 Влияние длины частиц на неоднородность смеси

Известно, что основными факторами, влияющими на качество приготавливаемой смеси, являются влажность и степень измельчения смешиваемых компонентов.

На рисунке 4.55 представлена экспериментально полученная зависимость влияния длины измельченных частиц грубых кормов 1ср на неоднородность получаемой смеси при смешивании их с силосом.

Л 3 У*

...... /Л

с С

20 35 50 65 80 {

о-о-о—10% грубых кормов в смеси (по массе); □-□-□-20% грубых кормов в смеси;

х-х-х-30% грубых кормов в смеси Рисунок 4.55 - Зависимости неоднородности смеси 8 от длины частиц грубых кормов 1ср

По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод, что при увеличении средней длины частиц грубых кормов свыше 70-80 мм качество приготавливаемой смеси заметно снижаться. Как показывают наблюдения, при длине частиц свыше 300 мм измельчающе-смешивающий рабочий орган является не работоспособным, поскольку слои корма сходят без измельчения и лишь частично смешиваются, при этом наблюдается частичное наматывание стеблей.

4.4.5 Результаты исследования подачи и энергозатрат

При изучении влияния подачи кормового монолита на мощность, затрачиваемую на измельчение и смешивание компонентов кормовой смеси, эксперимент проводился при стабилизации конструктивно-режимных параметров экспериментальной установки на оптимальные значения. Зависимость энергозатрат и однородности гранулометрического состава (X), затрачиваемой на измельчение и смешивание, от скорости движения подающего транспортера, представлены на рисунке 4.56.

т

то

ш

Я)

J> Ф m t *

/ г J Г jr * V ' ¿Г

а

ir ж ■ ' л * *

J

Ы.*вт 5,0

4;5 4,0 3,5 3,0

0,005 0,015 0,025 0,035 0,045 VaMlc o-o-o - фактическая, -------расчетная

Рисунок 4.56 - Зависимости энергозатрат и однородности гранулометрического состава (X) от скорости подающего транспортера

Из рисунка видно, что с увеличением скорости подающего транспортера, энергия, затрачиваемая на процессы измельчения и смешивания компонентов кормовой смеси, возрастает. Анализ зависимости показал, что мощность, затрачиваемая на процесс минимальна 3,2 кВт при скорости подающего транспортера un=0,01 м/с.

На рисунке 4.57 представлены экспериментальные зависимости производительности установки Q от скорости подающего транспортера.

о

с

ZÍ.S гч.о Vfi 1Í.0 1Í.S

A >

[2 Щ - У

>

SO В TD аз

ел

tt P.QDS O.pis (MJJ* g.OJÍ ^ „

o-o-o - фактическая, -------расчетная Q = f(un)

Рисунок 4.57 - Зависимости производительности Q и однородности гранулометрического состава (X) от скорости подающего транспортера un

Анализ зависимости (рисунок 4.57) показывает, что производительности установки прямо пропорционально зависит от скорости подачи и имеет прямолинейный характер. Однако увеличение скорости подающего транспортера ведет к снижению однородности гранулометрического состава (X). Оптимальные значения скорости находятся в пределах 0,005 < (ип) < 0,022 м/с.

На рисунке 4.58 предоставлены зависимости неравномерности дозирования а от скорости подающего транспортера ип. Анализ зависимости показывает, что увеличение скорости подающего транспортера снижает неравномерность выдачи кормов до 8-10 %, за счет выравнивания плотностей в бункере, как по его длине, так и по ширине. Шнековый аппарат снижает неравномерность дозирования на 5-8 % за счет активного воздействия навивки шнека на

кормовой монолит и выравнивании плотности по ширине бункера.

а.

%

20

15

10

X.

ч X

— X

-о

0.005 0.015 0.025 0,035 0,045 иИ1м/с

о - о - о - 8шаг = 200 мм; А - А - А - 8шаг = 270 мм; х - х - х - 8шаг = 300 мм; □-□-□- 8шаг = 350 мм.

Рисунок 4.58 - Графики зависимости неравномерности дозирования а

от скорости подачи ип

Результаты исследования зависимости неоднородности смеси и однородности гранулометрического состава от угловой скорости измельчающе-смешивающего аппарата, представленные на рисунке 4.59, показывают, что минимальная однородность смеси и максимальная однородность гранулометрического состава для всех пропорций содержания грубых кормов находится

примерно на одном уровне при 3,82 < ю < 8,7 с \ что позволяет качественно готовить кормовые смеси.

х-х-х-30% грубых кормов в смеси

Рисунок 4.59 - Зависимость неоднородности смеси 8 и однородности гранулометрического состава X от угловой скорости шнека ю

Выводы по разделу

1. На основании проведенных исследований с применением теории планирования многофакторного эксперимента удалось получить уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь конструктивно-режимных и технологических параметров разработанных технических средств, а также выявить степень их влияния (отдельно и в совокупности) на качество выполнения процессов.

2. Получены графические зависимости от основных критериев оптимизации, определяющих работоспособность конструкций. Экспериментальные данные подтвердили основные теоретические предпосылки для процессов приготовления кормосмесей и позволили уточнить отдельные теоретические аспекты указанных процессов.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, наиболее существенное влияния на процесс измельчения стебельчатых кормов имеют такие факторы как угловая скорость вращения измельчающего рабочего ор-

гана, количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру измельчающего рабочего органа, количество измельчающих двухплоскостных дугового профиля сегментов. Наименьшее влияние исследуемых факторов, на процесс измельчения оказывает угол между измельчающим рабочим органом конусного типа и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами.

В результате из анализа зависимостей, определены оптимальные значения факторов: угловая скорость рабочего органа ю = 3,2-4,6 с-1; количество зубчатых сегментов, расположенных по периметру измельчающего рабочего органа Ъ = 6-9; количество измельчающих двухплоскостных дугового профиля сегментов п = 7-9; угол между измельчающим рабочим органом и горизонтальными зубчатыми измельчающими элементами а = 300- 350, при которых средневзвешенная длина частиц Ьср = 50 мм, время измельчения Т = 10 секунд, а затраты энергозатраты на процесс N = 2,75 кВт.

4. Экспериментально обоснованы параметры рабочих органов технического средства для приготовления высокобелковых кормов с использованием соевого зерна (частота вращения подвижного диска, производительность, энергозатраты). Оптимальное время замачивания следует считать 6-7 часов. При этом усилие, необходимое для разрушения зерна составляет 0,01 МПа, плотность зерна при 7 часовом замачивании составляет р= 1,088 г/мл; влажность W = 65 %, средняя масса зерна т = 0,37 г, V = 0,34-Ю-6 м3.