CC BY
87. Klyuchko O. M. Cluster analysis in biotechnology / BIOTECHNOLOGIA ACTA. -2017. - V. 10. - No 5. - PP. 5-18.
8. Kolesnichenko S. V., Afanas'eva O. V. (). Theoretical aspects of the technical level estimation of electrical engineering complexes / Journal of Mining Institute. -- 2018. - 230. -pp. 167-175.
9. Pervukhin D. A., Il'yushin Y. V. A parallel analysis of hydrolithospheric beds geo-data of Narzan mineral water Kislovodsk deposit / Journal of Mining Institute. - 2016. -221.- PP. 706-711.
10. Reshnyak V.I., Sokolov S.S., Chernyi S.G., Storchak T.V., Tihomirov Y.N. System aspect course of creation of information and analytical system of environmental monitoring and control / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2017. - 87 (4). - № 042017.
11. Shishulin S.S. Methodology сomparative statistical analysis of Russian industry based on cluster analysis / Statistics and Economics. - 2017. - 3. - PP. 21-30.
12. Uvarov V. P., Alekseeva L. B. Internal elastically inertial vibration protection of rotari machines. - Journal of Mining Institute. - 2014. - 209. - PP. 96-98.
13. Zhukov V., Butsanets A., Sherban S., Igonin V., Monitoring systems of ship power plants during operation / Advances in Intelligent Systems and Computing. - 2020. -982. - PP. 419-428.
УДК 631.363.25 doi:10.18720/SPBPU/2/id21-96
Керимов Мухтар Ахмиевич1, профессор, д-р техн. наук, профессор;
Керимов Мовсар Мухтарович ,
студент
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1 Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный
аграрный университет, 1 martan-rs@yandex.ru
2
Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина),
ЬгШ;ш95ЬгШ;ш @ gmail.com
Аннотация. Для дальнейшего роста и развития в сфере сельского хозяйства необходимы разработки, способные снизить энергетические затраты на всех уровнях производства или сделать возможным получение большего объема продукции, не повышая затрат (материальных, экономических и др.).
Исследования в сфере мелкодисперсного измельчения показали, что у некоторых видов органического сырья при переработке не только повышается усвояемость, что позволяет использовать их в меньшем количестве, но и то, что порошки приобре-
тают новые свойства в отличие от цельных кусков сырья. Таким образом, выбор и обоснование экологически безопасного способа измельчения органического сырья (на примере скорлупы кедровых орехов) для его использования в качестве кормовой добавки сельскохозяйственным животным является актуальной задачей, решение которой сможет помочь сельским товаропроизводителям выйти на новый уровень эффективности производства.
Ключевые слова: органическое сырье, мелкодисперсное измельчение, технология, функционирование, оперативный контроль, случайный процесс.
Mukhtar A. Kerimov1,
Professor, Dr. of Technical Sciences, Professor;
Movsar M. Kerimov , student
SYSTEMATIC APPROACH IN DESIGNING GRINDING
TECHNOLOGIES
1 Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State Agrarian University,
1 martan-rs@yandex.ru
2
Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg State Electrotechnical University
"LETT',
2
brutus95brutus @ gmail.com
Abstract. For further growth and development in agriculture it is necessary to develop solutions that can reduce energy costs at all levels of production or make it possible to obtain more products, without increasing costs (material, economic, etc.).
Studies in the field of fine grinding have shown that some types of organic raw materials not only have higher digestibility during processing, which allows using them in smaller quantities, but also that powders acquire new properties in contrast to whole chunks of raw materials. Thus, the choice and justification of environmentally safe way of grinding organic raw materials (by the example of pine nuts shells) for its use as a feed additive for farm animals is an important task, whose solution can help agricultural producers to reach a new level of production efficiency.
Keywords: organic raw materials, fine grinding, technology, functioning, operational control, random process.
Введение.
Высокий уровень продуктивности в молочном скотоводстве создает предпосылки для внедрения прецизионных технологий содержания и кормления животных. Однако реализация указанных технологий в конкретных хозяйствующих субъектах требует создания прочной кормовой базы, которая не всегда обеспечивается только за счет собственных ресурсов. По данным Минсельхоза РФ за январь-март 2020 года импорт
кормов для сельскохозяйственных животных в нашу страну вырос на 28,6%, т.е. до 88,6 тыс. тонн. Если перевести данные цифры в денежный эквивалент, то отечественные производители животноводческой продукции затратили на покупку импортного сырья свыше 166,3 млн. долларов.
Существуют исследования и технико-технологические решения в данной предметной области, которые в перспективе могут удовлетворить спрос на качественные корма с высокой пищевой ценностью [1, 2]. Одно из направлений таких разработок - мелкодисперсное измельчение сельскохозяйственных культур и вторичных сырьевых ресурсов. Данная технология уже дала результаты в животноводческой сфере, но не получила широкого распространения.
1. Цель исследования.
Целями исследования являются:
• разработка схемотехнических решений по измельчению органического сырья в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных;
• обоснование алгоритма оперативного контроля качества функционирования измельчителей дезинтеграторного типа при изменяющихся физико-механических свойствах сырья.
2. Объект и методика исследования.
Методологической основой исследования является системный подход, предусматривающий использование математического моделирования при анализе конструктивных особенностей измельчителей и оптимизации режимных параметров установок во взаимосвязи с условиями их функционирования.
В процессе научно-технического исследования применялись методы:
• эмпирические - изучение литературных источников, научных публикаций, патентных материалов и других информационных ресурсов;
• экспериментально-статистические - планирование эксперимента, обработка данных и анализ результатов, полученных при испытаниях измельчителей в лабораторных и производственных условиях.
Модель функционирования технологического процесса изготовления мелкодисперсного порошка представлена на рисунке 1.
Сырье
О!
X-
1,1
- V
1|—'чЧ Конечный ¡'-(/продукт
Рис. 1. Модель функционирования технологического процесса изготовления мелкодисперсного порошка
Здесь приняты следующие обозначения: - вектор-функция входных параметров;
- вектор-функция неуправляемых параметров;
- вектор-функция выходных параметров;
- степень дисперсности материала;
- скорость вращения рабочего органа измельчителя.
Исследования проводились на экспериментальной лабораторной установке в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете. В качестве исходного сырья использовалась скорлупа кедрового ореха [3].
Поток продукта, выдаваемый измельчителем, представлен как случайный процесс в виде реализации подачи во времени.
В общем случае реализация у(Ч) выходного процесса, определяющего эффективность функционирования измельчителя по какому-либо показателю, формализуется в виде
у (г) = у + Шу (г) + у (г), (1)
где у](0 - реализация случайного процесса; у- среднее значение процесса (общее); шу(0 - центрированная составляющая низкочастотной части процесса (отклонения от среднего значения); у(0 — отклонение случайного процесса от центрированной составляющей (центрированный процесс).
Реализация выхода продукта у|(0 из измельчителя изображена графически на рисунке 2, где в определенной точке у показаны все составляющие случайного процесса.
В качестве критерия оптимизации при оценке производительности измельчителя принята вероятность пребывания случайного процесса в
поле допуска. При этом чем больше Рд, тем лучше и равномернее выход продукта из измельчителя.
Физический смысл вероятности Рд заключается в том, что она показывает долю времени реализации, в течении которой процесс находится в поле технологического допуска.
Рис. 2. Диаграмма выхода продукции из измельчителя дезинтеграторного типа
Представленный на рисунке 2 участок диаграммы выхода продукции из измельчителя, входящего в состав оборудования поточно-технологической линии, записан специальным расходомером готового продукта.
Отбор проб производился через каждые 10 минут. Схема прибора для определения тонины порошка приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема прибора для определения тонины порошка
Здесь приняты следующие обозначения:
1 - пробоотборник;
2 - электромагнитный переключатель;
3 - чашечка весов;
4 - вращающееся барабанное сито;
5 - чашечка весов;
6 - весы с датчиком для регулирования
Средняя производительность в данном режиме работы измельчителя составляет у = 480 кг/ч, 8 = 99 кг/ч. По техническим условиям технологический допуск на производительность измельчителя равняется А = 0,15, т. е. V = 99/480 ~ 0,21.
В приведенных выражениях 8 - среднее квадратическое отклонение
случайного процесса за время реализации; V - коэффициент вариации, %.
Вероятность пребывания выходного процесса подачи в поле технологического допуска АР=2Ф (0,15/0,21) ~ 0,71. Иными словами, измельчитель выдает порошок 71 % по времени в пределах 15 %-ного допуска в данном режиме работы.
Длина реализации случайного процесса ограничена во времени, поэтому следует ожидать в длительном режиме работы значительных отклонений подачи от среднего значения. Предельные отклонения подачи (максимальное Qшax и минимальное Ош^п) рассчитаны по «правилу трех сигм»: Qшax=y+3s и Qшin=y-3s. Это обеспечивает надежность выводов с вероятностью 0,9973. Полученные значения составляют Qшax=777 кг/ч и Qmin=183 кг/ч.
Измельчитель, следовательно, выдает порошок крайне неравномерно. С целью повышения эффективности работы измельчителя-дезинтегратора необходимо осуществлять автоматическое регулирование технологического процесса. Для оперативного контроля качества функционирования измельчителя целесообразно использовать аппарат типа Mastersizer, который действует по принципу дифракционного анализатора.
3. Результаты исследования.
Использование мелкодисперсных порошков в агротехнологических приложениях является актуальным направлением. Порошки обладают способностью структурировать продукт, выполняя при этом роль разрыхлителей и поглотителей избыточной влаги. На данный момент главной проблемой использования предлагаемой технологии являются малые объемы производства и, соответственно, высокая стоимость конечного продукта.
Продукт, полученный по разработанной технологии, отличается более качественными физико-химическими свойствами от порошков, выработанных по базовым технологическим схемам (типа «Кедрослав»). Полученные сравнительные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ химического состава готового продукта, полученного _при использовании базовой и предлагаемой технологий._
Наименование продукта
Наименование показателя Кедрослав (базовая технология) Скорлупа ореха кедра (предлагаемая технология)
Среднее значение Пределы Среднее значение
_ Порошок мелкодисперсный ко- Мелкие кусочки коричневого цвета
ричневого цвета
1 2 3 4
Насыпной вес, г/см3 0,499 — —
Влажность, % 8,2 — —
Компоненты:
1 Липиды, % 1. Кислоты: 5.4 2.05 4,06-8,1 1,1-3,0 2,2
- Смоляные 0,02 1,01-0,03
- Жирные, из них Непредельные: Олеиновая 2,03 1,22 0,73 1,09-2,97 0,65-1,78 0,4-1,06 0,8 0,5
Линолевая 0,3 0,1-0,5
Линоленовая 0,19 0,1-0,28
Предельные 0,91 0,8-1,02 0,3
1 2 3 4
1. Нейтральные вещества, %, из них: Жирные спирты (С20-С22) Кампестерин Стерин Стирол ХХ 3,35 1,14 0,8 1,0 0,06 0,35 3,05-5,1 1,04-1,7 0,6-1,0 0,8-1,8 0,04-0,08 1,4 0,7 0,4
2. Флавоноиды, %, из них: 0,9 0,6-1,1 0,4
Антоцианы Катехин 0,82 0,08 0,65-1,0 0,06-0,1
3 Танниды, % 3,3 2,3-4,7 1,8
4 Поликонденсированные флавоноиды, % 0,45 0,3-0,6
5 Протеин, % 6,2 5,5-6,9 5,5
6 Углеводы, %
Полисахариды: Клетчатка в пересчете на а-целлюлозу Пектиновые вещества 57,9 57,0 0,9 57,0-58,0 0,8-1,1 —
Моносахариды, % 2,8 2,1-3,6
7 Витамины, мг/%
А(каротин) С (аскорбиновая кислота) Е (токоферолы) Б (ненасыщенные кислоты) Р Следы Следы Следы 1,22 0,04 0,65-1,78 0,03-0,05 —
Сумма микро-, макроэлементов, % 1,21 1,16-1,26 —
Заключение.
По итогам проведенных поисковых исследований получены результаты, обобщенные в виде следующих выводов.
1 Выполнена постановка задачи разработки концептуальных основ функционирования измельчительных технологий, используемых в животноводческой отрасли АПК для приготовления кормовых добавок с заданными целевыми показателями.
2 Обоснован принцип оперативного контроля качества функционирования технологического процесса применительно к измельчителям-дезинтеграторам органического сырья. Предложенный способ измельчения сырья направлен на сохранение в конечном продукте полезных веществ, содержащихся в исходном материале.
3 Для повышения эффективности функционирования измельчительных технологий необходимы новые схемотехнические решения, базирующиеся на информационных платформах. Использование измельчителей дезинтеграторного типа позволяет достигать требуемых показателей качества функционирования технологического процесса. Одна и та же частица сырья в процессе соударений подвергается неоднократному воздействию повышенных температур, которое приведет к заданному изменению физико-механических свойств продукта. Оперативный контроль качества технологического позволяет формировать состав результирующего порошка в соответствии с целями его дальнейшего применения.
4 Наиболее объективно охарактеризовать качество функционирования процесса позволяет система оценки технологических допусков, которая использована в настоящем исследовании применительно к измельчителям дезинтеграторного типа. Исследования показали, что вероятность пребывания выходного процесса измельчителя в поле технологического допуска РА=2Ф (0,15/0,21 )~0,7. Иными словами, измельчитель выдает конечный продукт - порошок 70% по времени в пределах 15%-ного допуска в данном режиме работы.
Список литературы
1. A. G. Kulikov, А. Е. Blagov, N. V. Marchenkov, V. A. Lomonov, А. V. Vinogradov, Yu. V. Pisarevsky, M. V. Kovalchuk, «Rearrangement of the structure of paratellurite crystals in a near-surface layer caused by the migration of charge carriers in an external electric field», JETP Letters. 107:10(2018), 646-650.
2. К. М. Boyko, V. О. Popov, М. V. Kovalchuk. "Promising approaches to crystallization of macromolecules suppressing the convective mass transport to the growing crystal", Russian Chem. Reviews, 84:8 (2015), 853-859.
3. М.А. Керимов Измельчительные технологии: от микроразмерных фракций до наночастиц / Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2020 г. №1 (58). - С. 166-171.
