Совершенствование процесса получения экструдированных кормосмесей на основе предварительно измельчённой и охлаждённой лузги Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Если обозначить смещение рабочего органа на оси установки пружин через у, а его скорость через у , то сила трения о почву, действующая на рабочий орган массой шпр, как функция относительной скорости V = У0 - у , может быть записана в виде: Р(К - у).

Обозначая приведённый коэффициент упругости пружин через С и принимая пропорциональными первой степени скорости все силы трения рабочего органа о почву, получим дифференциальное уравнение смещения почвообрабатывающего рабочего органа в направлении оси у в следующем виде:

dy

т"У + kdt + °у = P(V° - У)'

(5)

Правая часть уравнения характеризует зависимость силы трения от положительной скорости У, т.е. является характеристикой трения. Рассмотрение функции в первой части уравнения (5) можно ограничить областью, в которой намного меньше У0. Разложение функции в этой области в ряд вблизи значений У примет вид:

р (( - у) = Р(К) - уР'(К) +.....

Ограничившись первым членом этого ряда, получим уравнение движения почвообрабатывающего рабочего органа в следующем виде:

^У + [ к + Р\К) ] у + Су = Р(У0). (6)

Правый постоянный член дифференциального уравнения (6) характеризует только смещение равновесия в направлении оси подпружинивания рабочего органа. Знак и величина коэффициента второго составляющего члена левой части уравнения (к + Р'(У0), стоящего при у, зависят от вида характеристики трения рабочего органа о почву. Величина Р(У0) отображает угол наклона характеристики трения в точке У0 и в случае снижающейся характеристики трения Р (У0) становится меньше нуля. При крутом спаде характеристики трения в области У0 получаем [к + Р (V,)] меньше нуля и уравнение (6) описывает систему с отрицательным трением.

Реализация такого процесса практически осуществляется в системе с подпружиненным виброударным почвообрабатывающим рабочим органом, так как характеристики трения почв оптимальной для обработки влажности всегда имеют возникающие при определённых скоростях и чередующихся

фазах деформации и разрушения почвы значительные участки достаточно крутого спадания.

В этих возникающих областях почвообрабатывающий подпружиненный виброударный рабочий орган будет представлять собой систему с отрицательным трением. Исходя из вышеизложенного, мы пришли к системе с отрицательным трением, ограничившись областью, в которой скорость

смещения рабочего органа У намного меньше

начальной скорости. Это ограничение является важным, так как при рассмотрении вышеприведённой системы будет иметь существенное значение. Выводы.

1. Наличие областей с отрицательным трением приводит к возникновению и поддержанию устойчивых автоколебаний рабочего органа в почве, что способствует снижению сопротивления продвижению его в почве и улучшению качества обработки почвы.

2. Различная упругость нижней сжимной пружины С1 и верхней разжимной пружины С2 поддерживает устойчивое возникновение областей с отрицательным трением в автоколебательном процессе механической обработки почвы. Это активизирует виброударную работу установленных на С-образной стойке бойка с наковальней и маятникового ударного механизма. Поддержанию автоколебательного процесса рабочего органа способствует переменное сопротивление при реализации фаз деформации и разрушения почвы.

Литература

1. Бабицький Л.Ф. Бютчт напрями розробки Грунтообробних машин. К.: Урожай, 1998. 164 с.

2. Бабицкий Л.Ф., Москалевич В.Ю., Соболевский И.В. Основы бионических исследований. Симферополь: ЧП «Антиква», 2014. 328 с.

3. Бабицкий Л.Ф., Москалевич В.Ю., Соболевский И.В. Бионико-механические основы сельскохозяйственных машин. Теория и методы // ISBN 978-3-659-85703-4). LAP LAMBERT Academic Publishing, Deutschland/ Германия, 2016. 384 c.

4. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Куклин В.А. Обоснование конструкции устройства для определения динамического деформационного показателя почвы // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. Симферополь, 2016. № 8 (171). С. 50-54.

5. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Куклин В.А. Обоснование конструктивных параметров гибкой бороны // Вюник Украшського ввддтення Мгжнародно! академй' аграрно! освгги. Запорожье, 2016. № 4. С. 61-68.

Совершенствование процесса получения экструдированных кормосмесей на основе предварительно измельчённой и охлаждённой лузги

С.В. Антимонов, к.т.н., С.Ю. Соловых, к.т.н., Г.Б. Зинюхин, к.т.н., Д.В. Мартынова, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ

Растительное масло является продуктом переработки масличных культур, главная из которых —

подсолнечник. Производство круп подразумевает переработку таких культур, как просо, гречиха, рис и т.д. Переработка данных культур сопровождается получением вторичных материальных ресурсов и отходов в значительном количестве. Следует от-

метить, что данный вид ВМР и отходов, а именно просяная, гречишная, подсолнечная, рисовая лузга и т.д., представляет собой ценное сырьё для комбикормовой промышленности, так как они содержат большое количество лигнина, сырого жира, клетчатки, целлюлозы, макро- и микроэлементов [1]. Например, лузга гречихи получается в количестве 22% при её переработке в гречку. В результате лузга сжигается при производстве в котельных или накапливается на близлежащих территориях производства (отвалах, оврагах), тем самым загрязняя окружающую среду в результате разложения. Лишь незначительное количество лузги в настоящее время применяется в технологии производства фурфурола, перед этим подвергаясь экономически невыгодному прессованию. Существуют технологии в Японии и Канаде по использованию лузги при производстве подушек в качестве наполнителя [2].

В ряде исследований показано, что лузга может использоваться как компонент кормосмеси или как добавка при производстве кормов для скармливания сельскохозяйственным животным, а не только в качестве топлива [3, 4].

Основным препятствием для применения лузги подсолнечника и гречихи в качестве кормового продукта является наличие трудно разрушаемых так называемых остистых частиц, которые при скармливании вызывают раздражение желудочно-кишечного тракта у сельскохозяйственных животных и, как следствие, не поедаются ими. Технологии избавления от остистых частиц в настоящее время не существует. Вместе с тем при производстве растительного масла ежегодно получается примерно 500 тыс. т невостребованной лузги подсолнечника, которая при определённой обработке могла бы вполне использоваться для кормления сельскохозяйственных животных [5]. На факультете прикладной биотехнологии Оренбургского государственного университета в течение нескольких лет проводятся исследования, направленные на приведение лузги подсолнечника и других культур к виду, востребованному сельскохозяйственными животными, с целью разработки соответствующей технологии [6].

Использование отрубей и лузги в кормах в больших объёмах затруднено.

Ограничение ввода большого процента лузги и отрубей в корма обусловлено повышенным содержанием в них количества клетчатки, исходя из этого сужается область применения такого сырья (тем самым происходит уменьшение объёма переработки) в качестве компонентов кормов для различных групп сельскохозяйственных животных. Для того чтобы повысить питательность, поедае-мость и перевариваемость такого вида сырья, необходимо применение к нему различных способов обработки, сопровождающихся удалением лигнина с последующим экструдированием [7].

Руководствуясь результатами исследований, было принято решение разработать технологическую линию по производству кормовых продуктов на основе такого вида сырья. Линия содержит следующие основные операции: обработка баро- и гидротермическая, обработка химическими реагентами, смешивание и экструдирование. В качестве финишных операций в линии предусмотрены сушка продукта и возврат некондиционной части на повторную обработку [8]. Одним из основных компонентов смеси являлась гречишная или подсолнечная лузга.

В результате ранее проведённых исследований было установлено, что для более эффективного проведения процесса предварительно необходимо лузгу измельчать, охлаждать, а только затем экс-трудировать.

В ходе предварительных экспериментов было выявлено, что с целью подготовки сырья до экс-трудирования целесообразно проводить его измельчение. Это вызвано тем, что экструдеры для своей эффективной работы требуют использования сырья с однородным гранулометрическим составом частиц. Так как неизмельчённый исходный материал отличается повышенной неоднородностью, это приводит к повышению удельных затрат энергии (УЭЗ) на проведение процесса экструдирования и снижению производительности.

В таблице 1 представлены результаты предварительных экспериментальных исследований по экструдированию подсолнечной лузги в составе с пшеничными отрубями.

Как видно по таблице 1, предварительное измельчение положительно сказалось на результате технологического процесса по получению экстру-дированного продукта.

1. Экструдат из бинарной смеси в составе 60% пшеничных отрубей и 40% предварительно обработанной 5%-ным раствором NaOH лузги подсолнечной)

Массовая доля влаги в смеси, %

18 20 22

производительность пресс-экструдера, кг/ч УЗЭ, кВт-ч/кг производительность пресс-экструдера, кг/ч УЗЭ, кВт-ч/кг производительно сть пресс-экструдера, кг/ч УЗЭ, кВт-ч/кг

лузга без измельчения

36,0 0,19 18,2 0,29 21,3 0,28

лузга с предварительным измельчением

34,2 0,14 27,6 0,26 36,2 0,11

Авторами также длительное время проводились исследования по влиянию отрицательных температур на процесс измельчения растительного сырья с высоким содержанием клетчатки и лигнина, которые показали, что предварительное охлаждение исходного сырья оказывает положительное влияние на проведение процесса измельчения и технологические показатели полученного продукта [2].

Материал и методы исследования. Объектом настоящего исследования выступали бинарные смеси: из пшеничных отрубей и подсолнечной лузги, а также пшеничных отрубей и гречишной лузги, смешанных в опредёленных пропорциях: пшеничные отруби с начальной влажностью = 10,0%; лузга подсолнечника с начальной влажностью =7,0%, гречишная лузга с начальной влажностью =7,2%.

Целью исследования был выбор оптимального режима экструдирования бинарной смеси лузги отрубей, обработанной с помощью раствора №ОН или раствора №2С03 заданной влажности и концентрации.

Методика проведения экспериментального исследования включала следующие этапы: отвешивание навески смеси из отрубей пшеничных и лузги подсолнечной в процентном соотношении 80/20 и также 60/40 соответственно, заданной массой 1 кг; обработка измельчённых смесей с помощью раствора №ОН с процентным содержанием 5% (4%-ный раствор №2С03) до влажности 16, 18 до 20% с последующим увлажнением в течение 18 час.; охлаждение после увлажнения до температуры —20°С в течение 24 час. Аналогичным образом были подготовлены образцы с лузгой гречишной и такой же с обработкой.

Подготовленные образцы измельчали перед экструдированием на пресс-экструдере.

Для экструдирования были взяты образцы влажностью W= 16, 18 и 20%, обработанные №ОН (№2С03) в соотношении 5 и 4%.

Процесс экструзии проводили следующим образом. При помощи приборов, установленных на щитке пресс-экструд ера, регистрировалась мощность процесса экструдирования. Контролирова-

Рис. 1 - Дробилка КРП-2

Рис. 2 - Рабочий орган пресс-экструдера (шнек)

Рис. 3 - Матрица пресс-экструдера

лась температура нагрева головки пресс-экструдера и температура полученного экструдата.

Производительность пресса-экструдера определяли по формуле:

О = О 3600/ Т, (1)

где О — производительность, кг/ч;

О — масса экструдированной кормосмеси, кг; Т — время отбора экструдированной кормо-смеси, с.

Сырьё Масса Время, Производи- Массовая УЗЭ, Вт-ч/кг Температура, °С

навески, тельность пресс- доля

кг экструдера, кг/с влаги, % 1гол $корм

Отруби пшеничные лузга подсолнечная 4%-ный №2СО3 - 80%, - 20%, 34,55 19,42 26,21 5 5 10 24,8 14,1 9,40 20 18 16 14 0,181 0,201 0,481 109 120 140 175 90 110 99 160

Отруби пшеничные лузга подсолнечная 4% ^СОз - 60%, - 40%, 33,87* 37,48 74,92 5* 5 10 25,20 26,23 27,02 20* 18 16 14** 0,153 0,113 0,161 120* 100 140 160** 100* 80 97 110**

Примечание: * — стабильный режим; ** — продукт горит

2. Результаты экструдирования химически обработанной лузги подсолнечника 4%-ным раствором №2С03 в смеси с отрубями (фильера 1 =10 мм, I =60 мм, частота вращения шнека п=160 об/мин)

Коэффициент перевариваемости определяли следующим образом: навеску с продуктом 0,5 г в специальных пакетах помещали в ёмкости с сычужным ферментом на 24 час. Затем, по истечении этого времени, пакеты промывали под проточной водой и помещали для высушивания в автоклав на 24 час., после чего проводили взвешивание навески. Определяли коэффициент перевариваемости по формуле:

т

■ 100%, (2)

т

^ _ _ после

где т„осле — масса продукта после переваривания, г;

тдо — масса навески продукта до переваривания, г.

Подсолнечную и гречишную лузгу измельчали на дробилке КРП-2 (ОАО «Долина»), представленной на рисунке 1.

Экструдирование подготовленной смеси проводили на пресс-экструд ере ПЭШ-30/4 при следующих параметрах: фильера 1 =10 мм, I =60 мм, частота вращения шнека п =160 об/мин). Шнек пресс-экструдера представлен на рисунке 2, матрица пресс-экструдера представлена на рисунке 3.

Результаты исследования. Результаты проведённого исследования представлены в таблицах 2 и 3. Они позволили сделать вывод, что при использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги подсолнечной, обработанной 4%-ным раствором №2С03, производительность пресс-экструдера равномерно увеличивается с 9,40 до 24,8 кг/ч.

Соответственно при использовании смеси 60% пшеничных отрубей и 40% лузги подсолнечной, обработанной 4%-ным раствором №2С03, производительность пресс-экструдера равномерно уменьшается с 27,02 до 25,20 кг/ч. При обработке соответствующей смеси 5%-ным раствором №ОН наблюдается уменьшение производительности пресс-экструдера в обоих случаях.

При использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги подсолнечной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, производительность пресс-экструдера равномерно уменьшается с 52,1 до 17,1 кг/ч. При использовании смеси из 60% пшеничных отрубей и 40% лузги подсолнечной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, произво-

дительность пресс-экструдера равномерно уменьшается с 21,19 до 8,83 кг/ч. Со смесью, содержащей лузгу гречихи, наблюдается такая же тенденция. При использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги гречишной, обработанной 4%-ным раствором №2С03, производительность пресс-экструдера равномерно увеличивается с 18,97 до 38,99 кг/ч. При использовании смеси из 60% пшеничных отрубей и 40% лузги гречишной, обработанной 4%-ным раствором №2С03, производительность пресс-экструдера равномерно уменьшается с 38,99 до 27,13 кг/ч. При обработке соответствующей смеси 5%-ным раствором №ОН наблюдается уменьшение производительности в обоих случаях. При использовании смеси из 80% пшеничных отрубей 20% лузги гречишной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, производительность равномерно уменьшается с 91,19 до 12,96 кг/ч. Соответственно, при использовании смеси из 60% пшеничных отрубей и 40% лузги гречишной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, производительность равномерно уменьшается с 19,08 до 17,03 кг/ч. Следует отметить, что в определённых случаях продукт горел. Так, например, при влажности 16% смеси из 60% пшеничных отрубей и 40% лузги гречишной, обработанной 5%-ным раствором №ОН и даже при 18% влажности смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги подсолнечной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, происходило подгорание продукта, из чего можно сделать вывод, что этот раствор менее пригоден для экструдирования. Но, несмотря на это, при использовании смеси с влажностью 16%, состоящей из 80% отрубей и 20% лузги, наблюдается наиболее высокая производительность. Так, при использовании смеси с подсолнечной лузгой производительность составляла 52,1 кг/ч, а с гречишной лузгой она была максимальная и составила 91,19 кг/ч.

Исследование также показало, что при использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги подсолнечной, обработанной 4%-ным раствором №2С03, УЭЗ равномерно уменьшаются с 0,481 до 0,181 Вт - ч/кг. Также происходит равномерное уменьшение УЗЭ с 0,161 до 0,153 Вт-ч/кг при использовании смеси из 60% отрубей пшеничных

3. Результаты экструдирования химически обработанной лузги подсолнечника 5%-ным раствором №ОН в смеси с отрубями (фильера 1 =10 мм, I =60 мм, частота вращения шнека п=160 об/мин)

до

Сырьё Масса на- Время, Производитель- Влаж- Э, Температура, °С

вески, кг с ность, кг/с ность, % Вт-ч/кг 1гол ^корм

Отруби пшеничные - 80%, лузга подсолнечная - 20%, ШОИ, 5% 23,74 144,63 5 10 17,1 52,1 20 18** 16 0,269 0,100 70 100** 60 90**

Отруби пшеничные - 60%, лузга подсолнечная - 40%, ЫаОИ, 5% 24,76 66,38 61,66 10 15 10 8,83 16,03 21,19 20 18 16 0,326 0,248 0,211 100 110 100 90 95 85

и 40% лузги подсолнечной, обработанной 4%-ным раствором №2С03. При обработке соответствующей смеси 5%-ным раствором №ОН наблюдается увеличение УЭЗ в обоих случаях.

При использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги подсолнечной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, происходит равномерное увеличение УЭЗ с 0,10 до 0,26 Вт • ч/кг. Так же наблюдается равномерное увеличение УЭЗ с 0,21 до 0,33 Вт •ч/кг при использовании смеси из 60% отрубей пшеничных и 40% лузги подсолнечной, обработанной 5%-ным раствором №ОН.

При обработке соответствующей смеси 5%-ным раствором №ОН наблюдается увеличение энергоёмкости в обоих случаях. При использовании смеси из 80% пшеничных отрубей и 20% лузги гречишной, обработанной 5%-ным раствором №ОН, УЭЗ экспоненциально увеличиваются с 0,04 до 0,56 Вт •ч/кг. Также наблюдается равномерное увеличение УЭЗ с 0,31 до 0,56 Вт • ч/кг при использовании смеси из 60% пшеничных отрубей и 40% лузги гречишной, обработанной 5%-ным раствором №ОН.

Таким образом, оптимальными по соотношению производительность — энергоёмкость являются следующие положения:

— при равных условиях гречишная лузга экс-трудируется лучше, чем подсолнечная. Это может объясняться тем, что она имеет более пористую структуру, что способствует лучшему проникновению химических реагентов.

— обработка сырья раствором №ОН даёт максимальную производительность, но только при влажности 16%. Также он имеет склонность к горению. При обработке сырья раствором №2С03 технологический процесс имеет лучшие параметры

по энергоёмкости и обеспечивает более стабильный режим. Поэтому, несмотря на более низкие показатели по производительности, обработка данным раствором в перспективе окажется более рентабельной.

Вывод. Результаты исследования показали, что наиболее перспективной будет переработка гречишной лузги, обработанной 5%-ным раствором NaOH, при влажности 16%, в соотношении компонентов — 20% лузги плюс 80% отрубей.

Литература

1. Антимонов С.В., Сагитов Р.Ф., Соловых С.Ю. Технология экструдирования гречишной (подсолнечной) лузги в смеси с отрубями // Известия вузов. Пищевая технология. 2008. № 2-3. С. 61-63.

2. Антимонов С.В., Сагитов Р.Ф. [и др.]. Получение экструдиро-ванных кормосмесей и добавок к ним из зерноотходов, подвергшихся химической обработке // Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. Вып. № 12. С. 309-312.

3. Попов В.П. Теоретическое обоснование энерго- и ресурсосберегающей конструкции шнекового пресс-экструдера для производства высококачественных кормовых продуктов / В.П. Попов, Д.В. Мартынова, С.В. Антимонов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 6 (68). С. 107-109.

4. Мартынова Д.В. Оптимизация процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2016. № 3. С. 151-156.

5. Попов В.П., Получение оптимальных режимов при экстру-дировании белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья /

B.П. Попов, Н.Н. Мартынов, Д.В. Мартынова [и др.] // Инновации и наукоёмкие технологии в образовании и экономике: матер. VI Междунар. науч.-практич. конф. Уфа, 2017. С. 234-237.

6. Соловых С.Ю. Энерго-ресурсосберегающие технологии в линии по производству кормов и кормовых добавок /

C.Ю. Соловых, Е.В. Ганин, С.В. Антимонов, С.В. Кишки-лёв // Наука и образование в современном обществе: вектор развития: сб. науч. трудов по матер. Междунар. науч.-практич. конф. / ООО «Ар-Консалт». М., 2014. С. 107-109.

7. Тимофеева Д.В. Оптимизация изменения агрегатного состояния сырья в процессе экструзии / Д.В. Тимофеева, А.Г. Зинюхина, В.П. Попов [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. 2013. № 3. С. 225-229.

8. Ханин В.П. Ресурсосберегающий процесс экструзионной обработки зернового сырья: дисс. ... канд. техн. наук. Оренбург: ОГУ, 1999. 130 с.

Эффективность процесса восстановления поперечных планок основного подбарабанья комбайнов TUCANO «CLAAS» наплавкой в среде углекислого газа

В.С. Коляда, инженер, В.А. Шахов, д.т.н., профессор, Ю.А. Ушаков, д.т.н., профессор, И.М. Затин, аспирант, П.Г. Учкин, аспирант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

В настоящее время в связи с трудными экономическими условиями, сложившимися в АПК, наблюдается значительное ослабление материально-технической базы. Всё это приводит к сокращению машинно-тракторного парка и увеличению нагрузки на оставшуюся технику. Это коснулось и отечественного парка комбайнов, средний срок службы которых составляет 7—10 и более лет. Поэтому необходимы значительные затраты на поддержание исправного состояния комбайнов.

Такая же ситуация наблюдается с зарубежными комбайнами, в том числе немецкой фирмы «CLAAS». Наименьшие затраты из всех зарубежных комбайнов данной фирмы получены по комбайну «CLAAS» Мега-208. По данным учёных Германии, фактические затраты на ремонт и обслуживание зерноуборочных комбайнов при их наработке 200 га составляют 16,25 евро на 1 га, 1000 га — больше в 2,3 раза, 2000 га — в 3,6 раза и 2500 га — в 4,3 раза. В наших условиях, при отсутствии правильно налаженного технического сервиса и ремонта импортных комбайнов, затраты будут в 1,5—2 раза выше [1—6].

Анализ направлений модернизации и ремонта техники в России и за рубежом, опрос экспертов