CC BY
7
УДК 62.85 DOI 10.51794/27132064-2021-2-68
СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В КОРМОПРОИЗВОДСТВЕ
М.В. Чкалова, кандидат технических наук, доцент В.Д. Павлидис, кандидат физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ E-mail: chkalovamv@mail.ru
Аннотация. Цель исследования - анализ инженерно-технологических параметров машин и оборудования, применяемых для смешивания комбинированных кормов, построение оптимизационной модели выбора оборудования. Авторами использованы структурно-функциональные модели технологических процессов, реализующих базовые схемы компоновки промышленного оборудования для производства комбинированных кормов. Аппарат векторного анализа, факторного и кластерного анализа стал основой алгоритмов определения факторов, влияющих на эффективность технологической линии. В результате исследований авторам удалось разработать и обосновать методику оценки эффективности технологического оборудования промышленной линии по производству комбинированных кормов. На примере изучения технологического оборудования для смешивания комбикормов авторами были определены инвариантные параметры и конструктивные особенности смесителей, улучшающие базовые показатели оптимизации. Сформирована система относительных показателей эффективности различных типов смесителей в составе промышленной технологической линии, разработаны расчетные формулы для определения относительных показателей эффективности оборудования, рассчитан групповой коэффициент факторной эффективности. Авторами разработана и реализована методика расчета синергетического коэффициента эффективности промышленной технологической линии по производству комбинированных кормов, учитывающая как выбор способа организации производства, так и оптимальный выбор вида технологического оборудования. Полученные результаты привели к созданию универсальной методики оценки эффективности промышленно-технологических линий по производству комбинированных кормов, которая была апробирована в условиях реального промышленного производства и доказала свою полезность. Ключевые слова: производство комбикормов, технологическое оборудование, смесители, методика оценки, показатели эффективности.
Введение. Основными направлениями развития комбикормового производства являются увеличение объема выпускаемой продукции при одновременном снижении уровня производственных затрат и повышении качества производимого корма. Обозначенные направления связаны с модернизацией технологического оборудования, адаптацией систем управления производственными линиями к условиям цифровизации современного сельскохозяйственного производства и расширением сырьевой базы [1].
Глубокий анализ комплексных проблем отрасли и системный подход в изучении технологических процессов позволили авторам сформировать концепцию трех эффектов развития комбикормового производства [2]. Цифровые автоматизированные системы уп-
равления технологическими процессами современного комбикормового предприятия настроены на определенный вид оборудования, что весьма затрудняет его регулярную модернизацию. Первый эффект развития возникает от организации самого производства на основе оптимального сочетания базовых принципов. Второй эффект развития возникает и усиливает первый на основе правильного выбора типов технологического оборудования и структурных схем его расположения, что приводит к выравниванию кормовых потоков и, следовательно, улучшению гранулометрического состава выходного продукта. Третий эффект развития возникает при замене компонентов в составе сырья инновационными компонентами в ультрадисперсной (нано-) форме.
Ранее авторами был проведен анализ эффективности способов организации производства комбинированных кормов [3]. В данной работе основное внимание сконцентрировано на возможностях реализации первого эффекта. Перспективы использования потенциала второго эффекта стали предметом изучения в настоящем исследовании. Гипотеза о синергетическом взаимодействии первых двух эффектов легла в основу концепции данной работы. Опираясь на доказанную эффективность двух наиболее перспективных способов организации технологического процесса производства комбинированных кормов (формирование предварительных смесей без повторного дозирования и прямоточный способ) [3], изучим возможность решения проблемы оптимизации технологического оборудования на примере смесителей кормовых компонентов.
Таким образом, целью исследования является анализ инженерно-технологических параметров машин и оборудования, применяемых для смешивания кормов, и построение оптимизационной модели процесса. Для
Таким образом, оптимизацию выбора оборудования для смешивания кормов необходимо проводить по системе инвариантных параметров. Результаты сравнительного анализа интервалов значений инвариантных параметров по видам смесителей привели к возможности задания векторной функции скалярного поля. Первые два параметра (время
достижения цели нами решены следующие задачи: выполнен анализ технических и технологических параметров смесителей; определены условия эксплуатации оборудования для смешивания кормов; построена оптимизационная модель выбора оборудования.
Методы, ход исследования. По конструкции рабочих органов промышленные смесители для производства комбикормов классифицируют как лопастные, ленточные, шнековые, барабанные и турбинные [4, 5]. На основании изучения технологического оборудования для смешивания комбикормов нами определены инвариантные параметры и конструктивные особенности смесителей, улучшающие базовые показатели оптимизации (надежность, качество готового продукта и удельные энергозатраты).
В процессе исследования нами выделены конструктивные особенности, одновременно влияющие на степень надежности, на качество готового продукта, на уровень энергопотребления (таблица 1), что может быть использовано при дальнейшей модернизации технологического оборудования.
смешивания и число оборотов вала) должны быть оптимизированы в минимуме. В качестве поля возьмем множество точек плоскости с координатами (уД), где V - число оборотов вала (об/мин.), t - время смешивания (с). Критерием оптимизации в этом случае будет выступать модуль значения векторной функции (длина соответствующего радиус-вектора):
Таблица 1. Анализ технологических параметров
Виды смесителей Основной рабочий орган Инвариантные параметры и конструктивные особенности
Лопастные (I) Лопасть Время смешивания (40-150 с); число оборотов вала (20-35 об/мин.); коэффициент однородности смеси (96-98%)
Угол поворота лопастей относительно вала
Ленточные (II) Лента Время смешивания (300-420 с); число оборотов вала (28-35 об/мин.); коэффициент однородности смеси (93-96%)
Шаг ленты по рабочей камере
Шнековые (III) Шнек Время смешивания (900-1200 с); число оборотов вала (5-400 об/мин.); коэффициент однородности смеси (85-92 %)
Количество витков шнека
Барабанные (IV) Барабан Время смешивания (90-240 с); число оборотов вала (28-35 об/мин.); коэффициент однородности смеси (85-90%)
Угол наклона оси вращения барабана
Турбинные (V) Вал с лопастями Время смешивания (60-240 с); число оборотов вала (-); коэффициент однородности смеси (85-90%)
Угол поворота лопастей относительно вала
\г (V,г)|. Проведем расчет критерия по данным таблицы 1, дадим геометрическую интерпретацию (рис. 1):
(I) |г(Т50,35)| = ТТ^ТЗ!2 « 154
(II) |т^(420,35)| = Т420ТТ352 « 421
(III) |т^(Т200,400)| = VТ2002 +4002 « 1265
(IV) |г(240,35)| = V2402 + 352 « 243
(V) |г(240,0)| = Т^^С^То2 « 240 Оптимум по времени смешивания и числу
оборотов вала дают лопастные смесители. Следующий результат по оптимальности данных критериев показывают турбинные смесители. Третий параметр (коэффициент однородности смеси) оптимизируется в максимуме, и по этому критерию наилучший результат также у лопастных смесителей. Предложенная авторами методика построения оптимизационной модели выбора технологического оборудования включает анализ технических и
технологических параметров, определение инвариантов, выделение условий эксплуатации оборудования и расчет критерия оптимальности. Она является универсальной и может применяться в любой сфере производственной деятельности.
Анализ научно-технических источников [5, 6, 7] позволил авторам классифицировать факторы как способствующие повышению эффективности процесса смешивания, так и снижающие ее (таблица 2).
400
300
100
1 III
■
IV [1
--1-п-1- - - -1-1-1-1-г
120 240 360 480 600 720
840 960 1180 1200
Рис. 1. Значения векторной функции поля параметров (у^)
Таблица 2. Факторы эффективности различных типов смесителей
Тип смесителя Фактор + Фактор -
Лопастные (I) Высокая однородность смешивания (96-98%); быстрое смешивание (40-150 с); допустимая степень загрузки 15-20% объема (для малых партий); возможность введения до 7% жидких компонентов; практически полное опорожнение рабочей камеры Относительно дорогие по сравнению с другими типами; условно-агрессивные к кормовым материалам; возможность повреждения кормового продукта из-за высокой скорости вращения
Ленточные (с горизонтальным валом) (II) Высокая однородность смешивания (95-96%); смешивание без существенных повреждений компонентов; возможность введения жидких компонентов до 5% объема Опасность неполного опорожнения рабочей камеры и контаминации следующих рецептов; удовлетворительное время смешивания и хорошее качество только при заполнении более половины объема
Шнековые (с вертикальной мешалкой) (III) Более низкая стоимость по сравнению с др. типами; легкость сборки в составе промышленных линий; возможность понижения мощности; смешивание без существенных повреждений компонентов Длительное смешивание и выгрузка смеси; низкая однородность смешивания (не более 92%); опасность неполного опорожнения рабочей камеры; невозможность смешивать более 3% жидких компонентов; более энергозатратные по сравнению с др. типами; быстрый износ витков шнеков; сложный ремонт
Барабанные (IV) Снижение временных затрат в промышленном производстве; смешивание без существенного повреждения кормовых компонентов; широкая область применения; возможность использования большого объема сырья Неспособность обеспечить постоянный уровень однородности; сложность управления при смене режимов работы; непостоянство гранулометрического состава; сегрегация смешивающихся компонентов
Турбинные (V) Возможность введения жидких компонентов до 10% объема; возможность одновременного введения до 3 видов жидких компонентов; компактная конструкция, простота обслуживания, надежная эксплуатация Удовлетворительная однородность смеси комбикормов с жидкими компонентами различной вязкости
Результаты исследования. Авторами введен относительный показатель эффективности типов смесителей: коэффициент факторной эффективности, рассчитанный как отношение количества положительных факторов Ind(+) к общему количеству факторов S=Ind(+)+Ind(-): Кэфт=
Расчеты для каждого типа смесителей показывают следующее: лопастные -^(+)=5, ^(-)=3, S=8, Кэфт=5/8=0,62;
ленточные (с горизонтальным валом) -^(+)=3, ^(-)=2, S=5, Кэфт=3/5=0,6;
шнековые (с вертикальной мешалкой) -Ind(+)=4, ^(-)=7, S=11, Кэфт=4/11=0,36;
На основании полученных данных авторами рассчитан групповой коэффициент факторной эффективности как отношение количества положительных факторов к общему количеству факторов по каждому выделенному классу (таблица 4).
Расчет коэффициента групповой эффективности позволяет выделить лучшие типы смесителей по каждому фактору: шнековые смесители наименее энергозатратные, смесители горизонтального типа дают наиболее высокое качество выходного продукта, лопастные смесители обладают лучшими эксплуатационными свойствами.
барабанные - Ind(+)=4, Ind(-)=4, S=8, Кэфт=4/8=0,5;
турбинные - Ind(+)=3, Ind(-)=1, S=4, Кэфт= 3/4=0,75.
Коэффициент факторной эффективности можно интерпретировать как коэффициент полезного действия смесителя. По этому показателю выделяются турбинные и лопастные смесители. Проведем кластеризацию множества факторов, распределив факторы, влияющие на эффективность смесителей, на три группы: факторы, влияющие на энергозатраты, качество продукции, эксплуатационные свойства (таблица 3).
Таблица 4. Групповой коэффициент факторной _эффективности смесителей_
Лопаст- Ленточ- Смесите- Смесители Смесите-
ные сме- ные сме- ли шне- барабан- ли тур-
сители сители ковые ного типа бинные
Энергозатраты
Ind(+)=1 Ind(+)=0 Ind(+)=1 Ind(+)=1 Ind(+)=0
S=5 S=5 S=5 S=5 S=5
K>=0,2 KJ=0 K>=0,25 K>=0,2 Kj=0
Качество продукции
Ind(+)=1 Ind(+)=2 Ind(+)=1 Ind(+)=1 Ind(+)=0
S=8 S=8 S=8 S=8 S=8
Kк=0,125 KK=0,25 KK=0,125 KK=0,125 K=0
Эксплуатационные свойства
Ind(+)=3 Ind(+)=1 Ind(+)=2 Ind(+)=2 Ind(+)=2
S=14 S=14 S=14 S=14 S=14
K,e=0,21 K,e=0,07 K,e=0,14 K,e=0,14 K,e=0,14
Таблица 3. Кластеризация факторов эффективности смесителей
Энергозатраты Качество продукции Эксплуатационные свойства
Фактор +
Быстрое смешивание; возможность понижения мощности; снижение временных затрат в промышленном производстве Высокая однородность смешивания; смешивание без существенных повреждений компонентов Допустимая степень загрузки 15-20% объема (для малых партий); возможность введения до 5-10% жидких компонентов; практически полное опорожнение рабочей камеры; более низкая стоимость по сравнению с др. типами; легкость сборки в составе пром. линий; широкая область применения; возможность использования большого объема сырья; компактная конструкция, надежная эксплуатация
Фактор -
Длительное смешивание и выгрузка смеси; более энергозатратные по сравнению с другими типами Возможность повреждения кормового продукта из-за высокой скорости вращения; удовлетворительное время смешивания и хорошее качество только при заполнении более половины объема; низкая однородность смешивания (не более 92%); неспособность обеспечить постоянный уровень однородности; непостоянство гранулометрического состава; сегрегация смешивающихся компонентов Относительно дорогие по сравнению с другими типами; условно-агрессивные к кормовым материалам; опасность неполного опорожнения рабочей камеры и контаминации следующих рецептов; невозможность смешивать более 3% жидких компонентов; сложный ремонт; сложность управления при смене режимов работы
Рассмотрим применение авторских методик расчета эффективности организации производства [7] и выбора технологического оборудования на примере реально функционирующих комбикормовых заводов. В первую тройку производителей оборудования для комбикормовых заводов в Российской Федерации (рейтинг по объему производства и востребованности оборудования) входят машиностроительная компания «Технэкс» (г. Воронеж) [8], ОАО «ВНИИКП» (г. Воронеж) [9], АСТ Регион (г. Арзамас) [10].
Два наиболее перспективных способа организации технологического процесса производства комбинированных кормов - формирование предварительных смесей без повторного дозирования и прямоточный способ - реализуются в базовой комплектации промышленных линий первых двух производителей. Для смешивания кормовых компонентов линии «Технэкс» могут комплектоваться лопастными и шнековыми смесителями, «ВНИИКП» в промышленных линиях использует лопастные смесители. Производство «Технэкс» предоставляет заказчикам возможность комбинирования пространственного расположения оборудования, оборудование «ВНИИКП» может быть установлено только вертикально.
Рассчитаем синергетический коэффициент эффективности Ксэф промышленной линии по производству комбикормов, учитывающий как выбор способа организации производства Кэф, так и выбор вида технологического оборудования Кэфт (в нашем случае - смесителя):
Ксэф= Кэф • Кэфт+ Куз, где Куз = Кэф' Кэ — коэффициент факторной эффективности звена усиления (при использовании дополнительного оборудования того же вида).
«Технэкс»: Ксэф= Кэф • Кэфт+ Куз= 0,75 0,62+ 0,75 0,25=0,6525;
«ВНИИКП»: Ксэф= Кэф • Кэфт+ Куз= 0,75 0,62+ 0=0,465.
Следовательно, промышленная линия, реализующая наиболее эффективные способы организации технологического процесса производства комбинированных кормов (фор-
мирование предварительных смесей без повторного дозирования и прямоточный способ) и включающая в комплектацию оптимальное оборудование, имеет больший коэффициент полезного действия.
Выводы. Таким образом, авторами определена система факторов, влияющих на эффективность смесителей различных типов, проведена их классификация; разработаны методики расчета относительных показателей эффективности смесителей, расчета группового коэффициента факторной эффективности; доказан (опираясь на концепцию трех эффектов развития комбикормового производства) синергетический эффект одновременного применения оптимального способа организации производства и выбора технологического оборудования.
Методики определения синергетической эффективности комбикормового производства, основанные на расчете введенных коэффициентов, были апробированы на ведущем предприятии комбикормовой отрасли ОАО «Оренбургский комбикормовый завод» и доказали свою практическую значимость [11]. Разработанные методики являются универсальными и могут быть использованы для оптимизации различных видов технологического оборудования сельскохозяйственного производства. Верификация построенных моделей и реализация разработанной методики позволяет считать полученные результаты достоверными и применимыми в организации технологических процессов комбикормовой отрасли.
Литература:
1. Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия Оренбургской области на 2013-2020 годы: Постановление от 31.08.12 г. № 751.
2. Чкалова М., Шахов В. Концепция инновационного развития промышленного производства комбинированных кормов // Техника и технологии в животноводстве. 2020. № 2(38). С. 44-54.
3. Effectiveness analysis of ways organizing production of combined feeds / Chkalova M. etc. // Engineering for rural development. Jelgava, 2019. P. 462-468.
4. Мянд А.Э. Кормоприготовительные машины и агрегаты. М., 1970.
5. Механизация технологических процессов животноводства / Коновалов В.В. и др. Пенза, 2006. 119 с.
6. Лоскутов А. Оборудование для производства комбикорма // Комбикорма. 2001. № 4. С. 23.
7. Математическое моделирование технологии и технических средств измельчения кормового сырья / Бурлуцкий Е.М. и др. Оренбург, 2010. 176 с.
8. Машиностроительная компания «Технэкс». URL: http://www.technex.ru/ru
9. ОАО «ВНИИКП». URL: https://www.vniikp.ru/
10. АСТ-Регион. URL: https://ast-region.ru/
11. ОАО "Оренбургский комбикормовый завод". URL: http://orenkz.ru/
Literatura:
1. Razvitie sel'skogo hozyajstva i regulirovanie rynkov sel'skohozyajstvennoj produkcii, syr'ya i prodovol'stviya Orenburgskoj oblasti na 2013-2020 gody: Postanovlenie ot 31.08.12 g. № 751.
2. CHkalova M., SHahov V. Koncepciya innovacionnogo razvitiya promyshlennogo proizvodstva kombinirovannyh
kormov // Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2020. № 2(38). S. 44-54.
3. Effectiveness analysis of ways organizing production of combined feeds / Chkalova M. etc. // Engineering for rural development. Jelgava, 2019. P. 462-468.
4. Myand A.E. Kormoprigotovitel'nye mashiny i agrega-ty. M., 1970.
5. Mekhanizaciya tekhnologicheskih processov zhivotno-vodstva / Konovalov V.V. i dr. Penza, 2006. 119 s.
6. Loskutov A. Oborudovanie dlya proizvodstva kombi-korma // Kombikorma. 2001. № 4. S. 23.
7. Matematicheskoe modelirovanie tekhnologii i tekhni-cheskih sredstv izmel'cheniya kormovogo syr'ya / Burlu-ckij E.M. i dr. Orenburg, 2010. 176 s.
8. Mashinostroitel'naya kompaniya «Tekhneks». URL: http://www.technex.ru/ru
9. OAO «VNIIKP». URL: https://www.vniikp.ru/
10. AST-Region. URL: https://ast-region.ru/
11. OAO "Orenburgskij kombikormovyj zavod". URL: http://orenkz.ru/
PERFORMANCE INDICATOR SYSTEM OF FEED PRODUCTION TECHNOLOGICAL EQUIPMENT M.V. Chkalova, candidate of technical sciences, professor's associate V.D. Pavlidis, candidate of physical-and-mathematical sciences, professor FGBOU VO Orenburg GAU
Abstract. The purpose of this study - is the combined feed making machines and equipment's engineering-and-tech-nological parameters to analyze, and an optimization model for equipment's selecting to build. The authors struc-tural-and- functional models of technological processes, that the basic layout schemes of industrial equipment for combined feed producing implement had used. The vector, factor and cluster analysis apparatus, analyzing, it became the factors algorithms determining basis that the producing line's efficiency had affected. As a result of this research, the authors were able a methodology of combined feed's technological equipment industrial line's efficiency to develop and justify. On this technological equipment for combined feeds mixing studying example, the authors determined the optimization indicators' invariant parameters and design features of mixers that this basic improving. A system of relative indicators of mixers' various types efficiency as part of an industrial process line was formed, equipment indicators' relative efficiency determining calculation formulas were developed, and a group factor efficiency coefficient is calculated. By authors the combined feed producing industrial technological line's synergetic efficiency coefficient's calculate, methodology is develop and implement, taking into account both the choice of producing organization method and technological equipment type's optimal choice. The results obtained led to universal methodology for the combined feed producing effectiveness evaluating at industrial-and-technological lines creation, that at real industrial producing conditions was tested and its usefulness had proved.
Keywords: combined feed producing, technological equipment, mixers, methodology of evaluation, efficiency's indicators.
