CC BY
82
machinery and equipment after the warranty period. Currently, this approach has fairly wide-roubleshooting propagation, but the principle of territoriality, depending on the concen tration-tractor fleet, as well as the scope of services does not always correspond to reality. Particular attention should be paid to accessibility, this service is to reduce the downtime machinery while awaiting assistance.
Extensive use of advanced methods of diagnosis, will make it possible to provide on-point impact on the weakest parts and ensure trouble-free operation of machines for the coming season of work. Typically, dealerships have the presence of the highest quality diagnostic tools in comparison with the workshops even large agricultural producers.
The use of modern methods of restoration and strengthening of machine parts significantly reduces maintenance costs, and reduces dependence on suppliers of spare parts, especially for foreign-made cars. The possibility and efficiency of the centralized restoration of worn parts and assemblies using nanotechnology, ensuring the formation of the desired properties of working surfaces.
Keywords: automation, parts, repair, machine parts, diagnostics, dealers, Combine harvester, repair and Agriculture Organization, technical service, maintenance, tractor units, installed power.
УДК 631.363.1; 631.363.7
РАЗРАБОТКА СМЕСИТЕЛЯ-ФЕРМЕНТАТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ БЕЛКА В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ
© 2016
Н. В. Оболенский, доктор технических наук, профессор, заместитель директора Инженерного института по научной работе, профессор кафедры «Технический сервис» С. Ю. Булатов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис»
А. И. Свистунов, аспирант
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация. Укрепление и развитие кормовой базы возможно путем внедрения прогрессивных технологий заготовки, приготовления и использования кормов, в которых основная роль принадлежит кормоизмельчитель-ным и смесительным машинам. Эти машины применяются для производства полноценных кормовых смесей. Операции измельчения и смешивания позволяют повысить поедаемость, переваримость и питательность кормов, а, следовательно, и эффективность от их использования. Получение качественных и полноценных кормовых смесей неразрывно связано с правильностью проведения технологических операций их приготовления. При этом немаловажную роль имеет энергоемкость приготовления кормосмеси. В целях уменьшения энергоемкости технологического процесса приготовления кормосмеси большинство кормоцехов стремятся использовать машины, совмещающие измельчение и смешивание. В кормоцехах, использующих измельчители-смесители, благодаря совмещению двух операций одновременно в одной машине, энергоемкооть значительно уменьшается по сравнению с другими кормоцехами, которые используют разные машины на измельчение и на смешивание. В настоящее время наибольшее распространение получила технология производства комбикормов непосредственно в хозяйствах с использованием агрегатов, основным узлом которых является дробилка с пневматической загрузкой и выгрузкой исходных компонентов комбикорма. Однако, опыт эксплуатации этих агрегатов выявил их существенные недостатки. Это, прежде всего, низкий КПД воздушного потока, невысокая пропускная способность и недостаточное качество получаемого продукта. В связи с этим у сельхозпроизводителя возникает множество проблем: снижение объемов производства и качества продукции, повышение затрат труда на производство кормов, снижение продуктивности животных, уменьшение рентабельности. Разработана конструкция смесителя-ферментатора для получения корма с высоким содержанием белка в фермерских хозяйствах; приведено описание его исследований и их результатов; предлагаются варианты схем линий по приготовлению ферментированных кормов из: 1) измельченного зерна; 2) измельченных корнеклубнеплодов; 3) измельченной соломы; 4) измельченного зерна, а также создание комбикормовых мини-заводов с использованием смесителя-ферментатора.
Ключевые слова: ферментированный корм, смеситель-ферментатор, схемы линий по приготовлению ферментированных кормов, комбикормовый мини-заводов, научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
Введение. Под качеством комбикорма понима- ветских и зарубежных ученых доказана большая
ют в том числе степень однородности, т. е. насколько практическая выгода от качественного смешивания
качественно смешаны его компоненты. Усилиями со- компонентов корма.
62
Подготовка кормов к скармливанию - одна из наиболее трудоемких технологических операций. Затраты труда на их приготовление, по данным авторов [14, 15], составляют 45-60 % от общих затрат на производство единицы продукции, стоимость готовых кормов доходит до 50-70 % себестоимости животноводческой продукции.
Высокие затраты вызваны тем, что кормосмесители, применяемые в хозяйствах, не отвечают предъявляемым к ним требованиям: они энергоемки, малопроизводительны и не обеспечивают требуемого качества смеси (степень однородности кормов).
Современные типы смесителей для сыпучих кормов сформировались в результате эмпирического отбора. Теория процесса всегда отставала от нужд производства. Сегодня нет убедительных теоретических и экспериментальных математических моделей, описывающих процесс смешивания компонентов; нет единого взгляда на суть процесса, нет обоснованной методики проведения эксперимента и единых критериев в оценке качества смесей, отсутствует единая терминология. Эти обстоятельства приводят к тому, что даже опытные данные различных авторов невозможно сравнить. Такое положение обусловлено многими причинами, главные из которых - сложность процесса и многообразие параметров и факторов, влияющих на конечный результат.
Исследованию измельчителей-смесителей и смешиванию кормов посвящены работы многих авторов: Алешкина В. Р. [1], Баранова Н. Ф. [2], Башилова А. М. [11], Савиных П. А. [8, 9, 11, 13, 14], Саитова Н. В. [10], Свентитского И. И. [11], Скоркина В. К. [12], Сысуева В. А. [13, 14], Тихомирова Д. А. [15], Уланова И. А. [17], Цой Ю. А. [18, 19], которые дали ценные рекомендации по улучшению их технологических и других параметров.
Из публикаций перечисленных авторов следует, что из-за несовершенства рабочего процесса применяемых измельчителей-смесителей энергоемкость процесса одновременного измельчения и смешивания кормов остается высокой, а качественные показатели не всегда удовлетворяют зоотребованиям. Т. е. решение задачи производства полноценных кормовых смесей в фермерских хозяйствах в целом требует комплексного подхода к его анализу и оценке состояния, позво- ляющему разработать предложения по его дальнейшему устойчивому развитию и совершенствованию.
Авторы поставили цель - разработать средства для приготовления ферментированного комбикорма в фермерских хозяйствах.
В связи с поставленной целью решались следующие научно-практические задачи:
- разработка конструкционного решения смесителя-ферментатора кормов;
- проведение теоретических исследований влияния геометрических параметров смешивающего узла смесителя кормов на его работу;
- разработка методики отбора и проведения анализа проб кормосмеси;
- испытания макетного образца смешивающего узла в лабораторных условиях;
- испытания опытного образца смесителя-ферментатора в фермерском хозяйстве;
- построение моделей регрессии процесса функционирования смесителя кормов, оптимизирующих его конструкцию,
- разработка схем использования смесителя-ферментатора в производстве комбинированных кормов;
- оценка энергетической и экономической эффективности смесителя-ферентатора кормов при использовании для приготовления кормов домашним животным и птице.
В качестве объекта исследований приняли смеситель-ферментатор комбинированных кормов [4, 6, 10, 20], а предмета исследования - процесс смешивания компонентов комбинированных кормов [5].
Методология исследований. На основе теории размерности и подобия, системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, статистических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных условиях, проведённых в соответствии с действующими стандартами и разработанными частными методиками.
Информационной базой исследования явились Нормативно-законодательные документы, данные, опубликованные в работах других исследователей, аналитические материалы научно-исследовательских организаций России и других стран, информация, размещенная на официальных сайтах Министерства сельского хозяйства РФ, научно-образовательных организаций, занимающихся проблемами развития сельского хозяйства.
Исследования включали в себя пять разделов.
1. Раздел «Состояние проблемы, цель и задачи научных исследований», содержащий: постановку и обоснование задачи; обзор смесителей кормов; периодического действия; обзор исследований процессов смешивания кормов и выводы, обусловившие цели и задачи исследований.
63
Выводы по исследованиям 1 раздела:
1. 1. Часть смесителей (например, червячнолопастные) имеют высокие энергозатраты на единицу готового продукта, часть готовят смеси низкого качества и продолжительное время. Все рассмотренные смесители узко специализированы и предназначены для смешивания материалов с конкретными физикомеханическими свойствами. Ни один из рассмотренных смесителей не ориентирован на получение ценных кормов с высоким содержанием легко усваиваемого белка. Поэтому разработка современного смесителя, который объединил бы достоинства и червячнолопастных, и ленточных смешивающих машин, способного приготовить и сыпучие, и влажные, и ферментированные корма является актуальной задачей.
1. 2. Смешивание - сложный процесс, практически не поддающийся математическому описанию. Вследствие этого отсутствуют универсальные теоретические выкладки, позволяющие определить влияние конструкционно-технологических параметров смесителей на качество корма. Эмпирическим путем определено влияние конструкционных и технологических параметров смесительных машин на однородность смеси, но отсутствуют исследования, направленные на энергоэффективность рассматриваемого процесса. Поэтому для получения полной картины протекающего процесса работоспособность смесителей необходимо оценивать с помощью методов оптимизации по двум критериям: однородности смеси и энергоёмкости процесса.
1. 3. В нашей стране и за рубежом существует большое количество технологических схем и оборудования для выполнения этого процесса. Основной причиной, сдерживающей дальнейшее повышение уровня механизации приготовления кормов, является высокая энергоемкость процесса смешивания, узко-направленность некоторых смешивающих машин, т. е. предназначенность смесителей для смешивания материалов с определенными свойствами (сыпучих, влажных, вязких). Многие смесители, предназначенные для смешивания разных материалов, требуют предварительной настройки рабочих органов.
1. 4. В связи с производством в хозяйствах собственного корма возросло внимание к универсальным смесителям, позволяющим получать не только традиционные сухие и влажные корма, но и современные с высоким содержанием белка. Имеющиеся на сегодняшний день различные по конструкции смесители с различными рабочими органами позволяют получать в лучшем случае одновременно сухие и влажные, однако не способны приготовить ферментированные корма».
Рисунок 1 - Графики изменения температуры
1. 5. Дальнейшее развитие средств механизации смешивания кормов должно идти, в первую очередь, в направлении разработки и использования универсальных и надежных смесительных машин, способных готовить корма независимо от их вида и состояния. Для смешивания материалов с разными характеристиками можно использовать смесители с комбинированными смешивающими органами.
1. 6. Теоретические разработки в области смешивания слабы, отсутствуют математические модели, описывающие изучаемый процесс, а эффективность машин при проведении эксперимента оценивается только одним критерием - однородностью смеси. То есть полученные экспериментальные данные не в полной мере отражают закономерности протекания процесса при работе смесителя и не могут быть эффективно использованы для совершенствования технологического процесса и конструкций рабочих органов машин.
2. Раздел «Теоретические исследования и обоснования», содержащий: исследование тепловых процессов; сравнительный анализ параметров смешивающих узлов по потребляемой мощности; обоснование преимущества вновь созданного смесителя-ферментатора. В результате исследования тепловых процессов построены графики (рис. 1) изменения температуры корма в зависимости от времени при нагреве: 1-25 кг корма с углом обхвата ёмкости нагревательной лентой 360°; 2-25 кг с углом обхвата ёмкости нагревательной лентой 90°; 3-50 кг с углом обхвата ёмкости нагревательной лентой 360°; 4-50 кг с углом обхвата ёмкости нагревательной лентой 90°, а также энергозатраты при нагреве 25 и 50 кг корма от 13 до 55 ° С тепловой лентой мощностью 75 Вт в зависимости от времени (рис. 2).
В результате сравнительного анализа параметров смешивающих узлов по потребляемой мощности прототипа [9] и вновь созданного смесителя-ферментатора [10] получили затраты энергии, необходимые
64
на привод вала для рабочего органа прототипа 11,3 кВт, предлагаемого 9,1 кВт.
Выводы по исследованиям 2 раздела:
2. 1. Максимальные энергозатраты наблюдаются в начале процесса нагрева, и с течением времени они снижаются, так как увеличивается температурный напор. Наибольший рост температурного напора (в случае с углом обхвата тепловой лентой емкости 90°) приводит к более интенсивному снижению энергопотерь. Как показывают графики, в начальный момент времени масса питательной среды практически не влияет на затраты электроэнергии, и при одном угле обхвата они практически равны.
2. 2. При выполнении ленточных шнеков: внешнего с диаметром D и шагом L, среднего с диаметром 3/4 D и шагом 3/4 L, внутреннего с диаметром 2/5 D и шагом 2,5 L (как у прототипа) расчетная мощность на привод смешивающего органа составляет 11,3 кВт.
А при выполнении скребков как в предлагаемом варианте смесителя-ферментатора, т. е. в виде витка спирали с шагом, равным половине длины L внутреннего пространства бункера, а внешнего ленточного шнека с высотой витков h диаметром 3/4 D и шагом 1/6 L, внутреннего с высотой витков 3/2 h диаметром 2/5 D и шагом 1/4 L, расчетная мощность на привод смешивающего органа составляет 9,1 кВт, что
на 24 % ниже, чем у прототипа. С увеличением высоты витков наблюдается снижение мощности, необходимой на привод.
3. Раздел «Программа, средства и методика экспериментальных исследований», содержащий: программу экспериментальных исследований; сведения о лабораторных и экспериментальных установках; сведения о приборах и оборудовании; методику отбора и проведения анализа проб кормовой смеси; методики: планирования и проведения экспериментов; определения оптимальных параметров смесителя кормов; методику проведения многофакторного эксперимента.
Для изучения процесса смешивания сыпучих и влажных материалов создана лабораторная установка
У У У >
1 j У/ *
2 /у ^уТ >V* '\з_
// ** ' AJ
101-------------------------L------------------------
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 t, ч 4
(рис. 3) [7].
Рисунок 2 - Энергозатраты при нагреве корма
Рисунок 3 - Лабораторная установка для исследования процесса смешивания: а - общий вид; б - схема; 1 - электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 - подшипник; 4 - корпус; 5 - смешивающий узел; 7 - рама; 8 - редуктор; 9 - скребки; 10, 11 - внешний и внутренний шнеки
65
Рисунок 4 - Смешивающие узлы с различными шагами внешнего и внутреннего шнеков: а - S2 =80 мм; S3 = 120 мм; б - S2 =S3 = 120 мм
Рисунок 5 - Трехмерная модель смешивающего узла смесителя: 1 - вал; 2 - внутренний ленточный шнек; 3 - внешний ленточный шнек;
4 - скребки; 5 - стержни
Для изучения влияния конструкционных параметров на процесс смешивания смешивающие узлы были изготовлены с разными шагами, углами и высотами витков внешнего и внутреннего шнеков (рис. 4).
Конструкция смешивающего органа (рис. 5) выполнена таким образом, что при его вращении скребки и внутренний шнек осуществляют перемещение материала от центра бункера к его боковым стенкам, а внешний шнек - от боковых стенок к центру бункера.
С целью изучения процесса нагрева во время приготовления ферментированных кормов создана лабораторная установка (рис. 6).
Установка состоит из ёмкости 1 цилиндрической формы, на наружную поверхность которой уложена нагревательная лента 2 модели ЭНГЛ-1 (180). Поверх нагревательного элемента нанесен слой теплоизоляции 7, способствующий снижению тепловых потерь в окружающую среду и тем самым наиболее интенсивному нагреву питательной среды 8, находящейся в емкости 1. Температуры ленты ЭНГЛ-1
(180) и питательной среды контролируются датчиками 3 (модель TST84) и 6 (модель TST81) соответ-
Рисунок 6 - Схема лабораторной установки для изучения процесса нагрева
ственно, данные которых передаются терморегулятору
5 (модель TL-11-250). Учет потребляемой электроэнергии осуществляется с помощью прибора 4. TL-11-250; 6 - датчик температуры питательной среды TST81; 7 - слой теплоизоляции; 8 - питательная среда.
Для проведения экспериментов в производственных условиях изготовлен в соответствии с патентом [10] опытный образец смесителя-ферментатора кормов (рис. 7).
66
Исследования лабораторного и опытного образцов смесителя проводились с помощью стационарных и портативных приборов и оборудования
Центра энергоаудита, с лабораторией энергетических обследований, организованного при ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерноэкономический университет». В частности: инфракрасного тепловизора Flir T 335, инфракрасного термометра Testo 845, анализатора количества и показателей качества электрической энергии AR, влагомера Фауна-М, весов лабораторных ВК-300 и токоизмерительных клещей Mastech MS 2203.
Для определения качества приготавливаемого корма разработана методика отбора и проведения анализа проб кормовой смеси по схеме, (рис. 8).
Рисунок 8 - Схема отбора проб
Опыты по изучению процесса смешивания проводятся в следующей последовательности. Устанавливается смешивающий орган с изучаемыми параметрами (шаг, высота, угол витков). Задаётся необходимая частота вращения вала, устанавливаются шкивы нужных диаметров. Через загрузочное окно засыпается подлежащий смешиванию материал до 50 % уровня заполнения, учитывая результаты, полученные ранее другими исследователями. Загрузку контрольного компонента осуществляют равномерно по всей длине смесителя.
Через каждые 20 с работы смеситель выключают и проводят отбор проб.
Взятие проб производится с помощью специально изготовленного пробоотборника (рис. 9), состоящего из внешней трубы, в которой установлена внутренняя труба с перегородками.
а о в
Рисунок 9 - Пробоотборник: а - схема; б - вид в открытом положении; в - вид в закрытом положении;
1 - внешняя труба; 2 - внутренняя труба с перегородками; 3 - рукоятка
Закрытый пробоотборник погружают в смесь, поворачивают внутреннюю трубу 2 относительно внешней 1 за рукоятку 3, открывая при этом прорезь на внешней трубе. Ждут, когда в ячейки пробоотборника засыплется материал, затем перекрывают прорезь, поворачивая внутреннюю трубу в исходное положение.
Пробоотборник выполнен с таким расчетом, чтобы в каждую его ячейку помещалась проба с минимально допустимой массой, обеспечивающей
достоверность проверки качества смеси. Массу пробы рассчитывают по формуле
0М =
1,26-10 4d3p
(1)
где d - среднеарифметический диаметр ключевого компонента, см; р - плотность материала частиц, г/см3; с0 - заданная концентрация ключевого компонента.
Анализ взятых проб проводится гравиметрическим методом.
Среди перечисленных показателей важнейшее значение имеют те, которые определяют качество смешивания кормов.
Согласно ОСТ 70.19.2-83 (Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Программа и методы испытаний) качественной характеристикой процесса смешивания является неравномерность (неоднородность) смеси, оцениваемая через посредство коэффициента вариации Сх контролируемого или контрольного компонента.
Для получения информации, требуемой для подсчета коэффициента вариации контролируемого или контрольного компонента, отбирают 15-20 проб через равные промежутки времени при выгрузке го-
67
товой смеси смесителем непрерывного действия либо из всего объема смеси в порционном смесителе.
Масса пробы для комбикормовых смесей должна составлять 5 г, влажных и
жидких смесей для свиней и сухих для крупнорогатого скота - 100 г, влажных для крупного рогатого скота - 300 г.
При вводе частиц индикатора для дискретного счёта целесообразно, чтобы в одной пробе было более 9 частиц. В этом случае их распределение в пробах подчиняется нормальному закону, что весьма удобно для описания зависимостей между показателями процесса смешивания.
Критерии оценки работы смесителя кормов и методика их определения. С целью выявления наиболее значимых факторов, влияющих на потребляемую мощность, моделируется процесс смешивания методом планирования эксперимента. В качестве факторов выбираются диаметры и шаги внутреннего и внешнего шнеков, соотношение их высот и угол подъема винтовой линии витка шнека. Согласно данным литературных источников угол трения зернового материала о сталь составляет 20°, а влажных кормов -около 40°. Поэтому угол 9 изменяют из условия
охвата обоих значений, т. е. от 20 до 80°. С целью облегчения анализа полученных результатов абсолютные значения изучаемых факторов выбирают, близкими к значениям прототипа, а в качестве критерия оптимизации используют отношение мощностей двигателей прототипа и предлагаемого смесителя-фермента-тора: W^./W™^.
Оценку работы смесителя проводят по двум критериям - качеству смешивания и удельной энергоемкости.
Качество полученной смеси оценивают коэффициентом неоднородности, значения которого взяты, в частности, из пищевой промышленности, где к однородности готовой смеси предъявляются высокие требования. Соотношение коэффициента неоднородности и качества смеси приведены в таблице.
Коэффициент вариации вычисляют по известной формуле
(2)
где С - текущее значение концентрации контрольно-
го компонента; С - среднеари-фметическое значение
концентрации контрольного компонента; n - число проанализированных проб.
Таблица 1 - Соотношение коэффициента неоднородности и качества смеси
Пределы коэффициента вариации Качество смеси
v < 5 % отличное
5 % < v < 7 % хорошее
7 % < v < 15 % удовлетворительное
v > 15 % плохое
Энергоемкость процесса оценивали удельными энергозатратами, т. е. затратами электроэнергии, необходимыми на смешивание материала до необходимого качества, отнесенные к массе этого материала:
(3)
кЗяг-ч
где и\.д - удельные затраты электроэнергии, ----;
т
Жсм - мощность, затрачиваемая на смешивание, кВт; 4м - время смешивания, ч; М - масса смешиваемого материала, т.
В третьем разделе осуществлено планирование проведения экспериментов по определению оптимальных параметров смесителя кормов, а также проведения многофакторного эксперимента
4. Раздел «Результаты экспериментальных исследований» содержит: результаты исследований
влияния конструкционных параметров смесителя кормов на критерии его работы; оптимизация рабочего процесса смесителя при смешивании сыпучих кормов; результаты исследований работы смесителя при смешивании влажных кормов; результаты исследований работы смесителя при смешивании сыпучих кормов; результаты исследований рабочего процесса смесителя-ферментатора кормов в режиме нагрева; результаты производственной проверки смесителя-ферментатора кормов.
Результаты однофакторных экспериментов по изучению влияния частоты вращения смешивающего органа (n) и времени смешивания на коэффициент неоднородности представлены в виде графиков (рис. 10).
Построены зависимости, характеризующие изменение удельных энергозатрат от частоты вращения в момент времени, при котором коэффициент неоднородности смеси составлял 5 и 15 % (рис. 11).
Построены графики, характеризующие влияние угла подъема винтовой линии 9 шнеков и частоты вращения вала (при n = 35, 40, 45 мин-1) на коэффициент неоднородности (рис. 12) при времени смешивания 100 с (в выбранный период времени коэффициент неоднородности соответствовал зоотехническим требованиям при 9 = 90° на всех исследуемых частотах вращения смешивающего органа).
68
Рисунок 10 - Влияние n на качество смешивания
---------- n = 30 мин"1;
----------- n = 35 мин-1;
.........- - n = 40 мин-1;
— — — - n = 45 мин-1 ----------- n = 50 мин-1
Рисунок 12 - Влияние угла подъема винтовой линии шнеков и n на коэффициент неоднородности смеси
----------- n = 35 мин-1;
---------- n = 40 мин-1;
.........- - n = 45 мин-1
Выявлено, что наилучшие результаты достигаются при смешивании шнеками с углом подъема винтовой линии 50°. Для сравнения энергоэффективности построены сравнительные графики для этого случая при различных частотах вращения (рис. 13).
30 35 40 п, мин-1 50
1,8
кВтч
т
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
35
40 п, мин- 45
Рисунок 11 - Влияние n на удельную энергоемкость
----------- v = 5 %;
----------- v = 10 %
Рисунок 13 - Влияние n на удельные энергозатраты при использовании шнеков с углом подъема винтовой линии 50°
Удельные энергозатраты достигают наименьшего значения при n = 35 мин-1для v =15 % и
n = 45 мин-1 для v = 5 % и составляют соответственно:
Выявлено, влияния времени смешивания на качество смеси, проведены опыты со шнеками с углом подъема винтовой линии 50° при n = 35, 40, 45 мин -1 (рис. 14).
После обработки результатов эксперимента получена адекватная модель регрессии, которая описывает влияние исследуемых факторов на критерии работы смесителя:
69
уу = 7,43 — 0,55 ■ — 0,1 ■ хг 4- 0,57 ■ д:3 — 0,83 ■ д:4 —
1,38-*Б -
- 0,03 ■ I, ■ х2 — 0,04 ■ л, -1, 4 0,0'1 ■ х, ■ Хл 4 0,1 ■ I, ■ —
- 0,Oil ■
•хг - 0,01 шхг-Хл - 0,2 шхг-хъ - 0,02 -хгшХл -
0,32 ■ з:3 ■ ;сБ 4- 0,08 ■ х4 • ;сБ!
(4)
уг = 1,21 4 0,14 ■ хх - 0,02 ■ %г - 0,31 ■ х3 - 0,24 ■ х4 4 0,39 ■ х3 -
- 0,04 ■х1-хг - 0,03 ■х1-х3- 0,1 ■ х1- х4- 0,003 ■ Х]_-х5-- 0,05 ■ х2 ■ х3 4 0,06 ■ х2 ■ х4 4 0,02 ■ хг ■ х3 4 0,009 -х3-х4-
— 0,06 ■ хэ ■ х$ — 0,03 ■ х4 - х$- (5)
Для оптимизации факторов Х3, Х4, Х5 был реализован эксперимент второго порядка для трех факторов. После реализации опытов и обработки полученных результатов построены модели регрессии: уу = 4,7 4 0,52 ■ х3 4 1,28 ■ зс4 — 0,82 ■ зсБ — 0,93 ■ х\ — 0,19 ■ х3
• хл 4 40,13 ■ х-1 ■ ;сБ 4 3,39 ■ х% — 0,1
■*б4 2,21
уг = 0,99 — 0,34-д:,— 0,34 ■ д:4 4 0,4-д:Б4 40,29 ■ хI 4 0,25 ■ д:3 ■ х4 — — 0,31 ■ дг3 ■ хБ 4 (7) 4 0,19 -х\ - 0,29 ■ я:4 ■ д:Б 4 0,03 ■ xf
После исключения незначимых эффектов мо дели (4) и (5) принимают вид:
уу = 4,7 4 0,52 ■ д:э 4 1,23 -х4- 0,82 -хъ-
-0,93 -х\ 4 3,39 ■ х% 4 2,21 ■ x\i
уг = 1 — 0,34 ■ д:3 — 0,34 ■ д:4 4 0,4 ■ д:Б 4 4 0,29-j:|40,25-j:3-j:4— 0,31 ■ i3 ■ хб 4 40,19 -х}~ 0,29 -х.-х*.
(8)
(9)
Обе модели признаны адекватными и могут быть использованы при описании изменения критериев оптимизации. Степень достоверности аппроксимации моделей (4.5) и (4.6) R2 составила соответственно 99,47 и 99,70 % .
Оптимизацию исследуемых параметров проводили методом наложения двумерных сечений поверхностей откликов (рис. 15). Решение компромиссной задачи сводилось к получению удовлетворяющим зоотехническим требованиям качествомготовой смеси с минимальными энергозатратами, приходящимися на 1 т готового корма.
С учетом минимизации удельных энергозатрат в результате наложения сечений поверхностей откликов получены следующие результаты, при которых коэффициент неоднородности не превышает 5 %, а удельные энергозатраты принимают наименьшее значение: х3 = - 0,4 (что соответствует S2 = 105 мм, х4 = 0,4 (S3 = =135 мм), х5 = - 0,6...- 0,2 (t =108 с). При этом удельные энергозатраты прини-
кЕт'Ч
мают значения, не превышающие 1,15 .
Выявлены оптимальные значения исследуемых параметров, при которых качество готовой смеси, состоящей из сыпучих материалов, соответствует зоотехническим требованиям: (однородность смеси составляет не менее 95 %), а затраты электроэнергии, необходимые для приготовления 1т смеси, не превы-
кВт-
шают 1,2—-—: частота вращения смешивающего органа n = 45 мин-1; угол подъема винтовой линии в = 50°; высота витков внешнего шнека h2 = 50 мм; высота витков внутреннего шнека h3 = 75 мм; шаг витков S2 внешнего шнека - 105 мм; шаг витков S3внутреннего шнека135мм; время смешивания t = 84-108 с.
Аналогичные результаты получены по оптимизации рабочего процесса смесителя при смешивании сыпучих кормов; по работе смесителя при смешивании влажных кормов; по работе смесителя при смешивании сыпучих кормов; по исследованию рабочего процесса смесителя-ферментатора кормов в режиме нагрева.
Рисунок 14 - Изменение коэффициента неоднородности смеси при использовании шнеков с углом подъема винтовой линии 50° в зависимости от n и времени смешивания
70
1
0,6
0,2
У
-0,2
-0,6
-1
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 -1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 *4 1
Рисунок 15 - Двумерные сечения поверхностей откликов, характеризующие влияние на критерии оптимизации: а - шагов витков S2 внешнего и S3 внутреннего шнеков; б - шага витков S2 внешнего шнека и времени смешивания t; в - шага витков S3 внутреннего шнека и времени смешивания t
Рисунок 16 - Схема линии приготовления ферментированных кормов из измельченной соломы: 1 - двухступенчатый измельчитель соломы; 2 - дробилка грубых кормов;
3 - осадитель;
Выводы по исследованиям 4 раздела:
4. 1. Определены оптимальные значения параметров смесителя-ферментатора, при которых обеспечивается необходимое качество смешивания сыпучих и влажных кормов с минимальными затратами электроэнергии: угол подъема винтовой линии
9 = 50°; высота витков внешнего шнека h2 = 50 мм; высота витков внутреннего шнека h3 = 75 мм; шаг витков S2 внешнего шнека 105 мм; шаг витков S3 внутреннего шнека - 135мм; длина лопаток l = 32 мм.
В случае с перемешиванием сыпучих кормов частота вращения смешивающего органа должна быть равна 45 мин-1, время смешивания t = 70-100 с. При этих параметрах удельные энергозатраты не превышают 0,9 .
Рисунок 17 - Комплектация комбикормового мини-завода: 1 - пневмосепаратор фуражного зерна; 2 - дробилка фуражного зерна с ротором-вентилятором; 3 - измельчитель грубых кормов;
4 - осадитель; 5 - измельчитель корнеклубнеплодов; 6 - смеситель-ерментатор
В случае перемешивания влажных кормов
кДм'Ч
удельные энергозатраты не превышают 0,32----при
УЛ
частоте вращения смешивающего органа n = 30 мин-1 и времени смешивания t = 110 с.
4. 2. Выявлено, что минимал ьные средние удельные энергозатраты, на нагрев питательной среды при приготовлении ферментированных кормов, наблюдаются в случае 100 % заполнения емкости с углом обхвата 90 или
180° и составляют 5,53 кДж .
(кг ■ К)
4. 3. Определено, что увеличение угла обхвата с 90 до 360° ведет к росту удельных энергозатрат на 10-33 % в зависимости от уровня заполнения емкости.
71
5. Раздел «Экономические аспекты исследований и реализация их результатов», содержащий: подходы к технико-экономической оценке производства сельскохозяйственной продукции; схемы линий приготовления ферментированных кормов; мини-завод приготовления кормов домашним животным и птице.
Рассмотрен пример производства из отходов синтетического «перепревшего конского навоза» [17], на основе которого можно создать различные почвосмеси и грунты, пригодные для использования в ландшафтном земледелии (к примеру, для ландшафтного дизайна), а также для использования на нужды службы озеленения г. Н. Новгород.
При создании дополнительного цеха по доводке компоста до кондиции шампиньонного субстрата будет возможным развивать в Нижегородской области гарантированное культивирование шампиньонов на промышленной основе в течение круглого года.
Для создания проекта с последующей его реализацией в натуру необходима организация специального фонда при министерстве АПК Нижегородской области, куда могли бы стекаться следующие средства: затраты предприятий, отнесённые в общей структуре себестоимости производства основной продукции на удаление отходов производства с территорий предприятий; экологические платежи, связанные с необходимостью удаления отходов производства с территории предприятий;
экологические штрафы и санкции, связанные со сбоями в утилизации, хранении и переработке куриного помёта; целевые расходы предприятий на организацию переработки органических отходов; средства земельного фонда, направляемые Правительством Нижегородской области на рекультивацию и восстановление земель сельскохозяйственного назначения; средства в виде кредитов из инновационного фонда при губернаторе Нижегородской области; целевые кредиты Министерства АПК Нижегородской области; инвестиции самого предприятия с учётом снижения налогооблагаемой базы на величину объёма инвестиций; привлечение инвестиций внешних инвесторов.
Разумеется, что вопросы, связанные с выделением кредитов или с привлечением инвесторов, должны быть увязаны напрямую не только с экологической направленностью, но и с экономическими параметрами, в частности с экономической эффективностью производства органических удобрений, к примеру, на основе глубокой переработки куриного помёта (как один из возможных вариантов утилизации).
Экономическая эффективность при внедрении проекта по утилизации и глубокой переработке толь-
ко птичьего помёта может составить не менее 250300 млн руб. в год.
Производство кормов с высоким содержанием белков с использованием смесителя-ферментатора также предполагает значительные энергитическую и экономическую эффективности. Реализация смесителя-ферментатора предлагается в линиях приготовления ферментированных кормов и мини-заводах по приготовлению кормов домашним животным и птице.
Механизация кормоприготовления занимает особое место в системе обслуживания животных. Уровень механизации приготовления кормов в настоящее время несколько ниже механизации других процессов (доения, уборки навоза, водоснабжения и поения).
Нами предлагаются несколько вариантов схем линий по приготовлению ферментированных кормов: из: 1) измельченного зерна; 2) измельченных корнеклубнеплодов; 3) измельченной соломы; 4) измельченного зерна. Последняя может быть выполнена в двух вариантах.
Один из вариантов линии приготовления кормов показан на (рис. 16).
При дороговизне комбикормов, производимых и реализуемых крупными специализированными заводами, становится актуальным их приготовление непосредственно в самих хозяйствах. В этом случае эффективнее используется кормовая база хозяйства, сокращаются транспортные расходы. Для приготовления сбалансированных по питательной ценности рассыпных кормосмесей, уменьшающих перерасход кор-мов и их потери, в том числе за счет ликвидации не съеденных остатков, нами предлагается создание комбикормых мини-заводов с комплектацией (рис. 17):
Выводы по исследованиям 5 раздела:
5. 1. Крупнейшим резервом повышения продуктивности в животноводстве является применение высокоценных, полнорационных комбинированных кормов, которые решающим образом влияют на рост, здоровье и развитие животных. Известно, что применение комбикормов при выращивании животных повышает их продуктивность на 10-13 %, а если в комбикорм ещё добавить обогатительные вещества (аминокислоты, премиксы, микроэлементы и т. д.), продуктивность может возрасти до 20 % и более.
5.2. Изобретённый смеситель-ферментатор позволяет реализовать наиболее эффективный процесс приготовления рассыпных и ферментированных кормов для животных и птицы в одной машине, обеспечивая высокое качество измельчения, дозирования и смешивания. Приобретя еще нескольких машин: пневмосепаратор фуражного зерна, дробилку зерна с ротором-вентилятором, измельчитель корнеклубне-
72
плодов и измельчитель соломы, фермерское хозяйство, имея любой из сырьевых продуктов (зерно, солома, корнеклубнеплоды), может наладить линию или организовать мини-завод круглогодичного приготовления высококачественного корма с высоким содержанием белка, затратив при этом минимум срдств и энергии.
5.3. Использование предложенного смесителя-ферментатора позволяет снизить энергозатраты на приготовление как ферментирванных, так и комбиро-ванных кормов.
Научная новизна исследований:
- разработан смеситель-ферментатор, смешивающий сыпучие материалы и ферментирующий комбинированные корма для использования в сельскохозяйственном производстве на животноводческих комплексах и фермах. Предложены схемы линий и мини-завода по приготовлению кормов с высоким содержанием белков из малоценных продуктов. Техническая новизна смесителя-ферментатора подтверждена патентом РФ № 2567315 на изобретение с названием «Смеситель-ферментатор»;
- проведены теоретические исследования по определению влияния геометрических параметров смешивающего органа смесителя кормов на его работу. По результатам исследований произведена оптимизация основных конструкционных параметров смесителя кормов по критериям эффективности;
- разработана методика отбора и проведения анализа проб кормосмеси;
- получены модели регрессии рабочего процесса смесителя-ферментатора кормов;
- произведены экспериментальные исследования макетного образца смешивающего узла и испытания опытного образца смесителя-ферментатора кормов в производственных условиях.
Теоретическая и практическая значимость исследований:
- получены аналитические зависимости, позволяющие определять влияние геометрических параметров смешивающего узла смесителя кормов на его работу;
- обосновано конструкционное решение смесителя-ферментатора кормов с комбинированным смешивающим узлом;
- получены модели регрессии процесса функционирования смесителя кормов, позволяющие определять его оптимальные конструкционные параметры;
- предложены схемы линий и мини-завода по производству комбинированных и ферментированных кормов с использованием вновь созданного смесителя-ферментатора.
Результаты исследований включены в работы [3, 4,] и используются для обучения студентов, магистрантов, аспирантов и соискателей ученых степеней в Нижегородском государственном инженерноэкономическом университете.
Степень достоверности подтверждена использованием потенциала Центра энергоаудита с лабораторией энергетических обследований, организованных в Нижегородском государственном инженерно-экономическом институте и оснащенных приборами, имеющими выводы показаний на дисплей, стандартный цифровой выход для подключения к регистрирующим устройствам, компьютерам и другим внешним устройствам, автономное питание, а в арсенале энергоаудиторов имеется необходимое программное обеспечение для обработки результатов инструментальных обследований. Приборы сертифицированы Госстандартом РФ и проводят поверку в установленном порядке.
Статья подготовлена по результатам исследований на тему: «Разработка средств для приготовления ферментированного комбикорма в фермерских хозяйствах», которые докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и российских научно-практических и практических конференциях; в Вятской ГСХА (г. Киров, 2009 г.); в Нижегородском ГИЭИ (г. Княгинино, 2011- 2012 гг.), в ВНИИМЖ (г. Подольск, 2012-2013 гг.), на V Российском Форуме «Российским инновациям - российский капитал» и X Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Н. Новгород, 2012 г.); в Марийском ГУ
(г. Йошкар-Ола, 2013 г.); в Институте технологических и естественных наук (г. Варшава, 2013 г.); на XVII и XVIII Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская область, Арзамасский район, 20122013 гг.); на конференции «World & Science» («Svet a veda» «Мир и наука» в (г. Брно, 2014 г.): в РИО МЦИИ: «ОМЕГА-САЙНС» (г. Уфа, г. Екатеринбург, 2015 г.), а также по материалам авторских публикаций [2-7, 8, 10].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алешкин В. Р. Повышение эффективности процесса и технических средств механизации измельчения кормов: дис....д-ра техн. наук. Киров. 1995. 446 с.
2. Баранов Н. Ф., Булатов С. Ю., Сергеев, А. Г. Пневмосепаратор фуражного зерна // Тракторы и сельхозмашины. 2010. № 1. С. 25-26.
3. Булатов С. Ю., Нечаев В. Н. Результаты ис-
следований рабочего процесса системы загрузки и очистки фуражного зерна малогабаритного комбикормового агрегата: монография. Княгинино :
НГИЭИ. 2012. 140 с.
73
4. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Изобретательство - путь к научному успеху: учебное пособие. Н. Новгород : ДЕКОМ. 2016. 208 с.
5. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Исследование процесса смешивания компонентов комбикорма // «Вестник научных конференций» № 1-1 (1) 2015. С. 111-119. http://ucom.ru/dok/cn. DOI: 10.17117/cn. (Дата обращения 2015.01.01).
6. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Смеситель ферментер для кормов // Сельский механизатор. 2014. Вып. 4. С. 26-27.
7. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Разработка лабораторной установки для смешивания компонентов комбикормов // Экономика и предпринимательство № 9. ч. 2(62-2). 2015. С. 640-643.
8. Савиных П. А., Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Оптимизация рабочего процесса смешивания сыпучих кормов в ленточном смесителе периодического действия // Экономика и предпринимательство № 9 ч. 2 (62-2). 2015. С. 811-816.
9. Патент на изобретение № 2488434 РФ. Смеситель. / П. А. Савиных, Н. В. Турубанов, В. Романюк, А. С. Киселев, Н. А. Чернятьев. Опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21.
10 Патент на изобретение № 2567315 РФ. Смеситель-ферментатор. / П. А. Савиных, В. Е. Саитов, Н. В. Оболенский, С. Ю. Булатов, А. И. Свистунов. Опубл. 10. 07. 2015.
11. Свентитский И. И., Башилов А. М., Алхазо-ва, Е. В. Основы агроэнергетики и энергосбережения: учебное пособие. М. : МГАУ, 2011. 60 с.
12. Скоркин В. К. Научное обоснование механизированных технологий приготовления и использования кормовых смесей для крупного рогатого скота : автореф. дис....д-ра сельхоз. наук. Дубровицы, Московская область, 1999. 52 с.
13. Сысуев В. А., Алёшкин А. В., Савиных П. А. Кормоприготовительные машины. Теория, разработ-
ка, эксперимент. В двух томах. Том 1. Киров : Зональный НИИСХ. 2008. Том 1. 640 с.
14. Сысуев В. А., Алёшкин А. В., Савиных П. А. Кормоприготовительные машины. Теория, разработка, эксперимент. В двух томах. Том 1. Киров : Зональный НИИСХ. 2009. Том 2. 496 с.
15. Растимешин С. А., Долгов И. Ю., Тихомиров Д. А. Основные направления развития систем теплоэнергосбережения сельскохозяйственного производства. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве // Тр.-ды 8-й междунар. науч.-технич. конф. М. : ВИЭСХ, 2012. С. 102-110.
16. Оболенский Н. В., Мартьянычев А. В., Ван-дышева М. С., Свистунов А. И. Технико-экономическое обоснование производства органических удобрений и биогаза из отходов промышленных животноводческих комплексов // Экономика и предпринимательство № 4 (ч. 2). 2015. С. 543-546.
17. Уланов И. А. Исследование технологического процесса приготовления смесей из грубых и сочных кормов : Автореф. дис....канд. техн. наук. Саратов, 1965. 26 с.
18. Цой Ю. А., Краснощеков Н. В. и др. Блочно-модульные принципы создания сельскохозяйственной техники. М., 1998. 102 с.
19. Цой Ю. А., Тесленко И. И. Поточноконвейерная технология индивидуального кормления коров // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. 2005. № 10. С. 13-16.
20. The nutrient medium heating’s optimal modes during the fermentation process in the feed mixer-fermenter’s definition / П. А. Савиных, Н. В. Оболенский, С. Ю. Булатов, А. И. Свистунов // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. № 3 (19). 2015. С.154-156.
© 2016
DEVELOPMENT OF MIXER-FERMENTER FOR RECEIVING FEED HIGH PROTEIN IN THE FARMS
N. V. Obolenski, the doctor of technical sciences, the professor, the deputyin engineering institute by scientific work, the professor of the chair «Technical service»
S. Yu. Bulatov, the candidate of technical sciences, the associate professor of the chair «Technical service»
A. I. Svistunov, the post-graduate student
Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia)
Annotation. Strengthening and development of fodder can be achieved by introducing progressive technologies of purveyance, preparation and use of feed, in which the main role belongs cosmospolitan and mixing machines. These machines are used for production of complete feed mixtures. The operation of grinding and mixing allow to increase the pal-atability, digestibility and nutritional value of feed and, consequently, the efficiency of their use. Receive high-quality and complete feed mixtures is inextricably linked to the accuracy of technological operations of cooking. This last is the ener-
74
gy intensity of cooking the feed mixture. In order to reduce the energy intensity of technological process of preparation of feed mixtures and feed the majority tend to use machines that combine milling and mixing. In the feed using the grinders-mixers, thanks to the combination of two operations simultaneously in one machine, energoalmaty significantly reduced in comparison with other fodder, which use different machine for grinding and mixing. Currently the most widespread technology for the production of animal feed directly to farms using aggregates, a major node of which is the mill with pneumatic loading and you load the source of feed ingredients.
Developed the design of the mixer-fermenter for receiving feed with a high content of protein in individual farms; the description of his researches and their results; the variants of circuits of lines for the preparation of fermented fodder: 1) crushed grain; 2) the crushed roots and tubers; 3) chopped straw; 4) the crushed grain and the establishment of compound feed mini-plants using mixer-fermenter.
Key words: fermented feed; mixer-fermenter; line maps for the preparation of fermented feed; compound feed mini-plants; scientific novelty; theoretical and practical significance.
УДК 665.6 © 2016
ГИДРОЦИКЛОН С КОЛЬЦЕВОЙ ВСТАВКОЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННЫХ ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ
М. В. Селезнев, кандидат технических наук, младший научный сотрудник отдела смазочных масел ФАУ «25 ГосНИИхиммотологии Минобороны России», Москва (Россия)
В. М. Холманов, кандидат технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»,
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина», Ульяновск (Россия) А. А. Глущенко, кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»,
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина, Ульяновск (Россия)
Аннотация. Проблемы экономного использования нефтепродуктов и ухудшение экологической обстановки вызывают необходимость в разработке методов и средств рационального применения как товарных, так и отработанных смазочных материалов. Одним из вариантов решения этой задачи является регенерация отработанных трансмиссионных масел и использование их по прямому назначению в агрегатах трансмиссий автомобилей. Однако применяемые в настоящее время технические средства для очистки отработанных трансмиссионных масел от нерастворимых примесей являются сложными, дорогостоящими и малоэффективными.
Поэтому исследования, направленные на разработку новых технических средств, позволяющих проводить очистку отработанных смазочных материалов для последующего восстановления их эксплуатационных свойств, являются актуальными и имеющими важное практическое значение.
В статье авторами предложен гидроциклон для очистки отработанных трансмиссионных масел от нерастворимых примесей, отличительным признаком которого является наличие кольцевой вставки. Кольцевая вставка позволяет добиться повышения центробежной силы и степени очистки отработанных трансмиссионных масел путем увеличения скорости движения частицы в пристенной области гидроциклона. Теоретически установлена взаимосвязь центробежной силы и степени очистки отработанных трансмиссионных масел от скорости движения частицы в пристенной области гидроциклона. Приведены оптимальные конструктивные и режимные параметры гидроциклона при очистке отработанных трансмиссионных масел, позволяющих получать степень очистки масел от нерастворимых примесей до 92 %. Использование предлагаемого гидроциклона в технологической линии по регенерации отработанных трансмиссионных масел позволит предприятиям сократить расходы в 2-2,5 раза на покупку товарных смазочных материалов и обеспечить себя необходимым количеством трансмиссионного масла требуемого качества.
Ключевые слова: автотранспортные предприятия, агрегаты трансмиссии, гидроциклон, кольцевая вставка, нерастворимые примеси, отработанное трансмиссионное масло, очистка, регенерация, смазочные материалы, центробежная сила.
В настоящее время актуальность проблем охраны окружающей среды, а также рационального и экономного применения нефтепродуктов вызывает необходимость в регенерации отработанных смазочных материалов, в том числе и трансмиссионных масел
[1, 2]. После эксплуатации отработанные трансмиссионные масла зачастую не утилизируются безопасным способом, а попадают, вследствие антропогенного фактора, в природные условия и в дальнейшем подвергаются только частичному обезвреживанию бла-
75
