CC BY
24
Список использованных источников
1. Коломейченко А.В., Логачев В.Н., Титов Н.В.Повышение ресурса деталей методами плазменного электролитического оксидирования // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 3. - С. 25-32.
2. Козлов А.В., Коломейченко А.В.К вопросу механизма модифицирования МДО-покрытий частицами нанопорошка CuO // Агротехника и энергообеспечение. - 2014. - № 1 (1). - С. 604-609.
3. Козлов А.В. Повышение износостойкости деталей машин микродуговым оксидированием с последующим модифицированием покрытия: дисс. ... на соиск. уч. степ. канд.техн. наук. - Орел, 2014. - 152 с.
4. Козлов А.В. Аппаратный комплекс для плазменно-электролитического оксидирования // В кн.: Молодежь и XXI век - 2018: материалы VIII Международной молодежной научной конференции. В 5-ти томах. - Курск, 2017. - 512 с.
5. Коломейченко А.В., Козлов А.В. Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей машин микродуговым оксидированием и модифицированием покрытия нанопорошком CuO. - Курск, 2017.
- 193 с.
List of used sources
1. Kolomeichenko A.V., Logachev V.N., Titov N.V. Enhancing Parts Life by Plasma Electrolytic Oxidation, Physics and Chemistry of Materials Processing. - 2017. - № 3. - P. 25-32.
2. Kozlov A.V., Kolomeichenko A.V. On the Question of the Mechanism of Modifying MAO Coatings with Particles of CuO Nanopowder, Agrotehnika i Energopolyazhenie. - 2014. - № 1 (1). - P. 604-609.
3. Kozlov A.V. Increasing the wear resistance of machine parts by microarc oxidation and subsequent modification of the coating: diss. ... on the competition uch. step. Cand.Tech. sciences. - Orel, 2014. - 152 р.
4. Kozlov A.V. Hardware complex for plasma-electrolytic oxidation // In the book: Youth and the XXI century
- 2018 Materials of the VIII International Youth Scientific Conference. In 5 volumes. - Kursk, 2017. - 512 p.
5. Kolomeichenko A.V., Kozlov A.V. Increasing the wear resistance of the working surfaces of machine parts by microarc oxidation and modification of the coating with CuO nanopowder. - Kursk, 2017. - 193 p.
УДК 678.025.1:63
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА НА ПРОЦЕСС ДОЗИРОВАНИЯ
ПИРОЖКОВ Д.Н.,
доктор технических наук, доцент, декан инженерного факультета, Алтайский ГАУ; тел.: (3252) 203-365; e-mail: mms.asau@yandex.ru.
СОРОКИН С.А.,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика и инженерная графика», Алтайский ГАУ; тел.: (3252) 203-365; e-mail: Sorokin_sg@mail.ru.
КОНЯЕВ Н.В.,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА;e-mail: konyaev_nv@mail.ru.
НАЗАРЕНКО Ю.В.,
старший преподаватель кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА; e-mail: yurij.nazarenko.71@mail.ru.
Реферат. В производстве многокомпонентных смесей при дозировании сыпучих ингредиентов процесс истечения во многом зависит от влажности самого материала. При выборе оборудования этот факт должен учитываться наряду с другими общепринятыми параметрами. Выбор оборудования должен производиться в соответствии с предъявляемыми требованиями к качеству готовой продукции, соотношению компонентов и технологическим свойствам обрабатываемого материала.
Большинство сыпучих компонентов комбикормов в естественном состоянии имеют влажность от 9 до 18 %. Скорость изменения влажности достигает до 1 % в сутки. Но при движении материалов по технологической линии, при подаче в емкости дозаторов и последующим перемещении изменение влажности может принимать периодический характер, составляющий 6-8 мин, при колебании Аю « 2 — 3%. Следовательно, необходимо определить, какое для комбикормовой промышленности дозирование объемное или весовое наиболее пригодно при работе с сыпучими материалами, способными легко менять внутреннюю влажность.
Погрешность весового дозатора по сухому веществу в массе дозы складывается из массы воды в материале, например 6 %, и погрешности самой дозирующей системы от 2 до 4 %. То есть, суммарная погреш-
ность весового дозатора по массе сухого вещества может достигать 10 %, что недопустимо. Дозаторы объемного типа работают по принципу отмеривания количества материала по его объему, на который не влияет плотность самого материала и процентное содержание в этом объеме воды. Установлено, что в пределах влажности 10-18 % изменение объема находится в пределах 1 %. Причиной этого являются свойства зернового материала распределять влагу внутри зерновки, в межклеточном пространстве. Только при содержании воды выше 18-24 % начинают происходить процессы набухания, увлажнения поверхности зерновки, что ведет к увеличению объема и трансформации физико-механических свойств поверхности зерновки. Дальнейшее набухание качественно изменяет технологические свойства дозируемого материала. Выявлено преимущество объемного типа дозирования перед весовым способом при производстве комбикормов в условиях фермерских хозяйств.
Ключевые слова: объемное дозирование, весовое дозирование, объемная масса зерна, влажность, микроструктура зерна, сухое вещество, комбикорма, сыпучий материал.
EFFECT OF GRAIN MATERIAL HUMIDITY ON THE DOSING PROCESS
PIROZHKOV D. N.,
doctor of technical Sciences, associate Professor, Dean of engineering faculty, Altai state agrarian University; tel: (3252) 203-365; е-mail: mms.asau@yandex.ru
SOROKIN S. A.,
Ph. D., associate Professor, KAF. "Mechanics and engineering graphics", Altai state agrarian University; tel: (3252) 203-365; e-mail: Sorokin_sg@mail.ru
KONYAEV N. V.,
Ph. D., associate Professor, KAF. "Electrical engineering and power engineering" Kursk state agricultural Academy named after I. I. Ivanov, е-mail: konyaev_nv@mail.ru.
NAZARENKO Y. V.,
senior lecturer, caf. "Electrical engineering and power engineering" Kursk state agricultural Academy named after I. I. Ivanov, е-mail: yurij.nazarenko.71@mail.ru.
Essay. Humidity has a significant effect on the dosing process of loose materials.On this basis we can conclude that appropriate types of dosing equipment must be applicable for certain types of multi-component mixtures production.The choice of equipment must be done in accordance to the requirements for the finished product quality, the ratio of the components and the technological properties of the processed material.
The main loose materials used in the mixed fodder production have a moisture content of 9-18 % in their natural state. The rate of humidity change reaches 1 % per day. But when moving materials along the production line when feeding into the dosing tanks and subsequent movement, humidity change may have periodic natureof 6-8 minutes, with a fluctuation of Am«2 — 3% Therefore, for the feed industry it is necessary to determinewhich volume dosing or weightdosing is most suitable when working with loose materials that can easily change the internal humidity.
The error of the weight batcher for dry matter in the mass dose consists of the water mass in the material, for example 6 %, and error of the dosing system from 2 to 4 %. That is, the weight batcher total error by weight of dry matter can reach 10 %, which is unacceptable. Volumetric batchers measure doses by volume of material and their accuracy independent on the processed material mass. It is established that in the range of humidity 10 to 18 % change in the volume is within 1 %.The reason is the ability of grain material to distribute moisture inside the grain, in the intercellular space.The processes of swelling and grain surface moistening begin to occur only when the water content is above 18-24 %which leads to an increase in the volume and transformation of the physico-mechanical properties of the grain surface. This may affect the dosing process further.The advantage of the volumetric dosing over the weighting dosing has been revealed for production of mixed feeds in the conditions of farms.
Keywords: volumetric dosing, weight dosing, volume mass of grain, humidity, grain microstructure, dry matter, compound feed, bulk material.
Введение. В технологическом процессе произ- разрыхляется, сжимается, перемешивается, ссыпает-водства комбикормов обрабатываемый материал ся, скользит по поверхностям, и все эти взаимодей-
ствия определяют энергетическую составляющую производства в целом. Поведение различных зерновых материалов при механическом воздействии определяется их физико-механическими и некоторыми технологическими свойствами [1, 2, 3]. Наиболее важным и ответственным процессом при производстве комбикормов является дозирование зерновых компонентов. В настоящее время для этих целей применяются различные варианты и конструкции дозаторов [4, 5, 6]. Однако эффективность и качество их работы зависит от ряда особенностей обрабатываемого материала. Одной из важных особенностей является склонность сыпучего материала к вла-гонасыщению, приводящая к погрешности дозирования. Содержание влаги в материале зависит от начальной влажности, приобретенной влажности в процессе транспортировки и хранения, размера частиц и вида сыпучего материала. Вопрос о влиянии содержания воды в дозируемом материале на точность выдачи заданного соотношения по твердой фазе, точнее сказать по количеству сухого вещества в отмеренных порциях, часто в описании характеристик дозаторов, обходят стороной. Ссылаясь на то, что материал должен быть предварительно подготовлен, проведена его оценка, выявлено соответствие требованиям и т.д., но по факту влажность зерновых материалов постоянно изменяется и в партиях, и по глубине слоя, и во времени. В данной работе представлено исследование изменения объемной массы зернового материла от его влагосодержания.
Материал и методика исследования. Процесс дозирования подвержен влиянию влажности ингредиентов по двум причинам.
Во-первых, изменение физико-механических параметров. С увеличением влажности технологические свойства ингредиентов ухудшаются. Связано это с изменением сил трения между частичками, что влияет на скорость истечения, а в ряде случаев возможно слеживание и сводообразование. Точность отмеривания доз при этом снижается.
Во-вторых, изменение процентного содержания воды ведет к точно такому же изменению массы исходного объема материала. Колебание влажности во времени весьма значительно. Влажность зернистых материалов в условиях реального производства и в комбикормовых цехах хозяйств изменяется в пределах 12 - 20 %, следуя изменению влажности воздуха. Известно, что даже после нормализации содержания влаги путем сушки зерна, его последующее хранение или транспортировка в течении нескольких дней в условиях доступа атмосферного воздуха и перепада температур приводит к значительному варьированию влажности.
В результате колебаний влажности материала при дозировании с заданной постоянной подачей Q„ = const имеем [7]:
j Q(t )dt
= mg = mж g + mT g,
(1)
где т, тт тж - соответственно массы зернового материала полной, жидкой и твердой фаз; g - ускорение свободного падения. Количество жидкости в объеме материала
mTW 100 :
(2)
(3)
где W - относительная влажность, %.
Так масса твердой фазы при m = const
,ТЖГ. 100m
m (W) = - ,
100 + W
При этом ошибка дозирования в пересчете на твердую фазу:
8 = m(O)-m(W) = mW , (4) mT ( ) ( ) 100 + W )
где mT(O) - масса материала при влажности, равной нулю.
Видим изменение влажности дает погрешность дозирования в массовом исчислении, соизмеримую с процентом воды в материале.
Сравним весовой и объемный способ дозирования с позиции отклонения содержания сухого вещества в материале.
Изменение равновесной влажности зерновых материалов в реальных условиях, например в пределах 12-18 %, ведет к погрешности дозирования относительно твердой фазы на 6 %. К этому нужно добавить погрешность самой дозирующей системы в 2-4 %, что даст в результате суммарную погрешность весового дозатора около 10 %, что не допустимо. Так в производстве комбикормов с использованием весовых дозаторов, точность соотношения компонентов по сухому веществу готовой смеси становится очень низкой.
То есть, использование весовых типов дозаторов на зерновых материалах в условиях переменной влажности можно считать неприемлемым.
В этом отношении объемный метод дозирования выглядит более выигрышно. Проведенные опыты в Алтайском ГАУ по изменению объемной массы зернового материала в зависимости от его влажности продемонстрировали не значительное изменение объема при колебаниях влажности в диапазоне 9-15 %. Это указывает на преимущество объемных дозаторов в работе с большинством кормов, где основой являются зерновые компоненты [8].
Эксперимент проводили на шроте подсолнечном (средний размер частиц 1,44 мм), цельной пшенице (эквивалентным диаметром 3,83 мм), пшеничной дерти (средний размер частиц 0,83 мм), гороховой
дерти (средний размер частиц 0,42 мм). Диапазоны изменения влажности были следующие: шрот подсолнечный - 8-22 %; цельная пшеница - 9-26 %; пшеничная дерть - 10-24 %; гороховая дерть - 9-22 %. Интервалы насыщения влагой варьировались от 2,5 до 5 %. Изменение влажности достигалось хранением материала в условиях разной влажности окружающего воздуха. Количество образцов в опытах для каждого материала - 25 шт.
В эксперименте определяли объемную массу образцов кормового материала различной влажности. Полученные данные представляли в виде графической и аналитической зависимости. Значение содержания влаги в образцах получали по стандартной методике прямым способом.
Анализ внутренней структуры зерна пшеницы выполняли по следующей методике. Заливка в парафин, этикетировка, приготовление срезов из парафиновых блоков, окрашивание и заключение срезов, окрашивание гематоксилин-эозином, заключение в бальзам. Микроскопические исследования проводились на микроскопе МС 300 при помощи программы MicromedImagesZeiss.
Результаты исследования. Анализ изменения влажности проведем, разбив шкалу процентного содержания воды в материале на три фазы. Разбивку провели по замеченному на рисунке 1 поведению кривых увеличения объемной массы: 1 фаза с диапазоном 8...10 %; 2 фаза с диапазоном 10.. .15 %, 3 фаза с диапазоном 15.24 %.
В результате анализа экспериментальных данных были получены зависимости объемной массы от влажности:
Пшеница цельная
Рпш. = 1414,1235 - 4,2778-Ж + 0,1747-Ж2 (5)
Дерть пшеничная
Рд.пш. = 610,4435- 9,2853-Ж + 0,3847-Ж2 (6)
Дерть гороха
Р^гор. = 941,856-23,7617-Ж + 0,955-Ж2 (7)
Шрот подсолнечный
РШр, = 1568,9509 - 129,8669 -Ж + 4,4325-Ж2 (8)
Свободную укладку зернистого сыпучего материала можно наблюдать при свободном заполнении некоторого объема, плотность укладки здесь характеризуется общей пористостью [9, 10]. Пористость при свободной укладке не зависит от плотности материала, а определяется лишь физико-механическими свойствами материала, на которые влияет изменение силы трения поверхности частицы об смежную частицу. Результатом взаимодействия с различными силами трения скольжения и трения качения является тип укладки от самой плотной пирамидальной до рыхлой кубической [10].
Вторая фаза 11.15 % сопровождается влажностью, близкой к постоянному значению. В этот период начинает формироваться вторичная пористость, характеризующаяся возникновением внутри материала неоднородных по типу укладки локальных объемов, по типу пустот. Но в целом объем зернистого материала при увеличении в нем свободной воды не изменяется, поскольку она распределяется в пустотах меж частиц и на поверхности зерновок. Затем влага проникает внутрь зерновок, занимая межклеточное пространство, в этот момент из зерновок вытесняется воздух
Влажность кормового материала Ж, %
Рисунок 1 - Зависимость изменения объемной массы зернового материала от влажности
17 % 24 %
Рисунок 2 - Увеличенное внутренне строение зерна пшеницы
В третьей фазе резкого увеличения объемной массы протекают смешанные процессы - преобразование укладки материала в более рыхлую. Также происходит разбухание зерен, набухание внутренней структуры, увеличение размеров крахмальных зерен в условиях достаточного содержания влаги.
Изменения внутренней структуры на рисунке 2 показаны при поглощении воды межклеточным пространством без изменения размеров частиц белка, крахмала и жира, подтверждены электронными фото снимками микро-срезов пшеничных зерен различной влажности.
Зерновки с влажностью от 8,5 до 15 % имеют достаточно плотно упакованную внутреннюю структуру, что свидетельствует об отсутствии разбухания, крахмальные зерна имеют стабильные равные размеры (15-23 мкм).
При увеличении в 400 раз микроструктура хорошо видна на рисунке 2. Величина крахмальных зерен растет с увеличением влагонасыщения зерновки.
Наблюдая за фотографиями микроструктуры зерна отмечаем, что при влажности выше 16 % происходит набухание алейронового слоя и крахмальных зерен, дающее общее увеличение объема зер-
новки пшеницы. Вода при этом из свободного состояния переходит в связанное, входит в химический состав белков, жиров, углеводов. В этот момент величина крахмальных зерен имеет размер 50-60 мкм.
В результате проведенных исследований микроструктуры зерна, можно констатировать, что имеется несущественное изменение объемной массы, в диапазоне влажности 11-15 %. Этот факт обеспечивает при объемном способе дозирования заданную рецептом точность выдачи сухого вещества.
Выводы. Изменение влажности окружающего воздуха в плоть до 90 % дает прирост увеличения влажности зерна до 17 %, при этом его объемная масса меняется не более чем на 1 %. Это обстоятельство позволяет утверждать, что в технологических линиях, расположенных в помещениях, где свободно меняется относительная влажность воздуха, для дозирования зерновых ингредиентов комбикормов предпочтительнее использовать объемный тип дозаторов, а не весовой. Объемный тип дозаторов лучше подходит для приготовления комбикормов в условиях малых хозяйств с использованием сырья без предварительной его подготовки и обработки.
Список использованных источников
1. Федоренко И.Я., Пирожков Д.Н. Факторы, действующие на частицу в виброожиженном слое: материалы XLII научно-технической конференции ЧГАУ. - Челябинск. - 2003. - Ч. 3. - С. 155-159.
2. Федоренко И.Я., Пирожков Д.Н. Вибрируемый зернистый слой в сельскохозяйственной технологии: монография. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. - 166 с.
3. Установка для определения вязкости дисперсных материалов / И.Я. Федоренко, А.А. Гнезди-лов, С.А. Сорокин и др. // Пат. 2267770 Российская Федерация С1 G 01 N 11/10; заявитель и патентообладатель. - Алтайский ГАУ. - Заявл. 05.05.2004; опубл. 10.01.2006, Бюл. № 01.
4. Сараев И.Ф., Коняев Н.В. Тарельчатый многокомпонентный дозатор // Вестник Курской государственный сельскохозяйственный академии. - 2012. - № 1. - С. 119-122.
5. Сараев И.Ф., Коняев Н.В. К вопросу о разработке многокомпонентного дозатора // Вестник Курской государственный сельскохозяйственный академии. - 2010. - № 3. - С.77-79.
6. Сараев И.Ф., Коняев Н.В. К вопросу о разработке объемного дозатора // В кн.: Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса: материалы Международной научно-практической конференции. - Курск, 2008. - С. 181-184.
7. Федоренко И.Я. Технологические процессы и оборудование для приготовления кормов. - М.: Форум, 2011. - 176 с.
8. Опытно-конструкторские работы Алтайского ГАУ в области механизации животноводства / И.Я. Федоренко, М.Г. Желтунов, С.Н. Васильев, С.А. Сорокин // Продукция предприятий Алтайского края для АПК России. - 2003. - № 1. - С. 52-57.
9. Кукта Г.М. Машины и оборудование для приготовления кормов. - М.: Агропромиздат, 1987. -303 с.
10. Семенов В. Ф. Бункеры и хранилища зерна: учебное пособие. АлтГТУ им. И.И. Ползунова. -Барнаул: АлтГТУ, 1999. - 222 с.
List of used sources
1. Fedorenko I.Ya., Pirozhkov D.N. Factors acting on a particle in a vibro-fluidized bed: materials XLII of the Scientific and Technical Conference of the ChSAU. - Chelyabinsk. - 2003. - Part 3. - P. 155-159.
2. Fedorenko I.Ya., Pirozhkov D.N. Vibrating granular layer in agricultural technology: a monograph. -Barnaul: Publishing house AGAU, 2006. - 166 p.
3. Installation for determining the viscosity of dispersed materials / I.Ya. Fedorenko, A.A. Gnezdilov, S.A. Sorokin and others // Pat. 2267770 Russian Federation C1 G 01 N 11/10; applicant and patent holder. -Altai GAU. - Claim 05.05.2004; publ. 10.01.2006, Byul. No. 01.
4. Saraev I.F., Konyaev N.V. Tray multi-component dispenser // West-nick of the Kursk State Agricultural Academy. - 2012. - № 1. - P. 119-122.
5. Saraev I.F., Konyaev N.V. On the development of a multi-component dispenser // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2010. - № 3. - P. 77-79.
6. Saraev I.F., Konyaev N.V. On the issue of the development of a volumetric dosing unit // In the book: Actual problems of increasing the efficiency of the agro-industrial complex: materials of the international scientific-practical conference. - Kursk, 2008. - P. 181-184.
7. Fedorenko I.Ya. Technological processes and equipment for the preparation of feed. - M .: Forum, 2011. - 176 p.
8. Experimental design work of the Altai State Agrarian University in the field of livestock mechanization / I.Ya. Fedorenko, M.G. Zheltunov, S.N. Vasiliev, S.A. Sorokin // Products of enterprises of the Altai Territory for the agricultural sector of Russia. - 2003. - № 1. - P. 52-57.
9. Kukta G.M. Machines and equipment for the preparation of feed. - M.: Agropromizdat, 1987. - 303 p.
10. Semenov V. F. Bunkers and grain storage: a training manual. AltSTU them. I.I. Polzunova. - Barnaul: Altai State Technical University, 1999. - 222 p.
