Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Характеристика мягких субпродуктов 10
1.2. Зоотехнические требования к процессу приготовления кормов для пушных зверей 18
1.3. Теоретические основы процесса измельчения 20
1.4. Обзор проведенных исследований по измельчению кормов 23
1.5. Краткий анализ особенностей конструкции измельчителей мягких субпродуктов, применяемых в звероводстве 31
1.6. Выводы и задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Теоретические исследования измельчения мягких субпродуктов 39
2.1. Механизм изменения энергозатрат процесса измельчения мягких субпродуктов в зависимости от их температуры 39
2.2. Анализ силового взаимодействия лезвия ножа с мягкими субпродуктами 44
2.3. Механизм изменения энергозатрат процесса измельчения мягких субпродуктов в зависимости от угла скольжения лезвия ножа 49
2.4. Разработка критерия оценки эффективности работы измельчителей кормов 61
2.5. Математическое моделирование рабочего процесса предлагаемого измельчителя для звероводства
2.5.1. Конструктивно-технологическая схема предлагаемого измельчителя и его основные параметры 63
2.5.2. Построение математической модели рабочего процесса предлагаемого измельчителя методом идентификации 70
2.6. Выводы по главе з
ГЛАВА 3. Методика и результаты экспериментальных исследований измельчения мягких субпродуктов 80
3.1. Программа экспериментальных исследований 80
3.2. Исследования рабочего процесса измельчителя с питающим шнеком... 81
3.3. Исследование параметров, оказывающих влияние на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов 89
3.3.1. Исследование влияния температуры мягких субпродуктов на энергозатраты процесса их измельчения 90
3.3.2. Исследование влияния угла скольжения лезвия ножа на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов 94
3.3.3. Определение оптимальных значений угла скольжения лезвия ножа и температуры измельчаемых мягких субпродуктов 96
3.4. Исследование основных конструктивно-технологических параметров предлагаемого измельчителя 102
3.4.1. Исследование влияния угла подъема ножей на удельную энергоемкость предлагаемого измельчителя 105
3.4.2. Определение оптимальных значений конструктивно-технологических параметров предлагаемого измельчителя 108
3.5. Выводы по главе 116
ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование эффективности применения предлагаемого измельчителя для звероводства 117
4.1. Производственные испытания измельчителя с питающим шнеком и предлагаемого измельчителя для звероводства 117
4.2. Экономическая эффективность применения предлагаемого измельчителя для звероводства 120
4.3. Выводы по главе 123
Заключение 124
Список литературы
- Теоретические основы процесса измельчения
- Анализ силового взаимодействия лезвия ножа с мягкими субпродуктами
- Исследование параметров, оказывающих влияние на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов
- Экономическая эффективность применения предлагаемого измельчителя для звероводства
Теоретические основы процесса измельчения
Трахеи, калтыки, уши, губы содержат белок невысокой биологической ценности. Эти корма используются в смеси с другими мясными и рыбными продуктами - источниками лимитирующих кислот.
Мягкие субпродукты состоят из мышечной паренхиматозной (печень, легкие), соединительной и жировой тканей. От соотношения в мягких субпродуктах различных тканей зависит их химический состав: содержание белков (9,5...25,0 %), липидов (1,2... 13,7 %), углеводов (0,1... 1,0 %), воды (67,8...82,7 %) - следовательно, и пищевая ценность [13, 139, 142].
Ткани, составляющие мягкие субпродукты, принадлежат к природным биополимерам, поэтому исследование их механических свойств проводится в рамках представлений механики полимеров.
Механические свойства в самом общем виде определяются деформациями, которые происходят под воздействием силы. Деформации полимеров вообще и тканей мягких субпродуктов, как биополимеров, в частности представимы в виде суммы трех составляющих: упругой деформации - обратимой в фазе с напряжениями, остаточной - полностью необратимой и высокоэластической -обратимой, но не в фазе с напряжениями. Упругая деформация связывается с изменением межмолекулярных расстояний, остаточная - с необратимыми перемещениями молекул на расстояния больше, чем молекулярные размеры, и высокоэластическая связывается с изменениями конформации полимерных цепочек [124].
Как известно [3, 15, 71, 107, 124], изотропные полимеры, в том числе и мягкие субпродукты, как биополимеры, могут быть условно разделены на три группы, в каждой из которых одна из перечисленных компонент деформации при данных условиях является преобладающей: -жесткие полимеры, проявляющие малые деформации и обладающие значительно более высоким модулем упругости, чем другие полимеры; - мягкие эластичные полимерные материалы, обладающие способностью к очень большим (десятки и сотни процентов) обратимым деформациям; - полимеры, обнаруживающие текучесть при воздействии внешних сил. Деление полимеров на эти группы является весьма условным, так как в зависимости от режима нагружения и температуры соотношения компонентов деформации в полимере может меняться. Мягкие субпродукты при температурах выше криоскопической (-1 С) являются пластичным телом, весьма близким, согласно приведенной классификации, к мягким полимерам. По мере понижения температуры, содержащаяся в мягких субпродуктах вода начинает вымерзать, и резко изменяются их механические свойства. Так, при температурах ниже криогидратных (-60 С) по своим механическим свойствам мясо можно отнести к достаточно жестким полимерам.
В интервале температур между криоскопической и криогидратной мягкие субпродукты обладают промежуточными свойствами между хрупкостью и пластичностью, т. е. в деформациях его в разных соотношениях между собой одновременно присутствуют все три рассмотренные компоненты [124].
В интервале температур между 20 С и криогидратной механическое поведение мягких субпродуктов характеризуется наличием упруговязкости. В этих случаях деформация складывается из мгновенной упругой, подчиняющейся формально закону Гука, запаздывающей высокоэластичной и остаточной.
Реологическая модель мягких субпродуктов, как упруговязкого тела, может быть представлена как конгломерат [11, 115], состоящий из твердого (упругого) скелета и жидкого вещества, заполняющего промежутки между твердыми элементами. Будучи деформированным, твердые элементы скелета мягких субпродуктов давят на жидкую среду, окружающую их, заставляя ее перемещаться в менее напряженные зоны. В соответствии с законами гидродинамики сопротивление среды при таком перемещении зависит от скорости ее перемещения.
Для математического описания механических свойств материалов в реологии разработаны методы физически обоснованных комбинаций элементов, с достаточной точностью отображающих фундаментальные свойства материала: упругость, вязкость и пластичность. При таком комбинировании приоритет отдается тем свойствам, которые имеют существенное значение. Для мягких субпродуктов такими свойствами являются упругость и вязкость. В реологических схемах, характеризующих свойства материала, принято упругость изображать в виде пружины, деформирование которой подчиняется закону Гука, а вязкость - в виде цилиндра с вязкой жидкостью, в котором перемещение поршня подчинено закону Ньютона. Последовательное и параллельное соединение указанных элементов позволяет моделировать деформацию материалов с весьма сложными свойствами [11, 115, 116]. В реологии разработано большое количество моделей различных материалов [5, 11, 29, 40], которым присвоены имена их авторов, например «Модель Максвела», «Модель Кельвина-Фойгта», «Модель Пойнтинга-Томсона», «Модель Джеффриса», «Модель Трутона-Ронкина» и др. Деформационное поведение мягких субпродуктов наиболее полно характеризует модель, содержащая три последовательно соединенных элемента (рис. 1.1 а): элемент Е\ мгновенной упругости, элемент Е2 запаздывающей упругости, соединенный параллельно с элементом вязкости rj2, и элемент течения щ, соединенный с первыми двумя элементами последовательно (данная модель сходна с «Моделью Бюргерса»). При быстром нагружении модели полная ее деформация произойдет, главным образом, за счет сжатия пружины (элемента) Е\. При фиксации модели в сжатом состоянии пружина Е\ станет перемещать поршень элемента г\\. По мере продвижения последнего пружина Е\ будет разжиматься и напряжение уменьшаться. Мы получим типичную картину релаксации напряжения при постоянной деформации.
Анализ силового взаимодействия лезвия ножа с мягкими субпродуктами
Как видно из графика (рис. 2.9), кривые изменения коэффициентов кинематической трансформации угла заточки ко и кромки лезвия къ совпадают и плавно возрастают, при этом величина этих коэффициентов не превышает 1. Кривая же изменения коэффициента кинематической трансформации толщины перерезаемого материала къ до т = 30 совпадает с кривыми коэффициентов ко и къ и также плавно возрастает. При увеличении угла т коэффициент къ резко возрастает и уже при т = 85 превышает значение 10, т. е. отрицательный эффект скользящего резания при данном угле в 10 раз превышает положительные. На основании вышесказанного, можно сделать вывод: для того чтобы работа измельчения при скользящем резании уменьшалась, необходимо чтобы соблюдалось условие - доля влияния отрицательного эффекта не должна превышать суммарную долю всех положительных эффектов. На графике (рис. 2.9) данное условие соблюдается при значениях т 30 . Однако с учетом того, что положительных эффектов скользящего резания несколько и они могут совместно образовывать новые положительные эффекты, ведущие к снижению работы измельчения, можно предположить, что данное условие будет соблюдаться и при значениях г 50, т.к. в этих случаях къ превышает ко и къ всего в 1,5 раза. Выше данного значения угла величина kh намного выше ко и къ. Подставив (2.26), (2.28), (2.32), (2.35) в выражение (2.34) и проведя ряд преобразований, получим выражение для определения работы измельчения, которое учитывает все эффекты скользящего резания, как положительные, так и отрицательные, и показывает их взаимосвязь:
На процесс измельчения скользящим резанием влияет большое число факторов, которые сложно учесть, а также положительные и отрицательные эффекты скользящего резания, которые могут совместно образовывать новые эффекты, ведущие к уменьшению или увеличению работы измельчения, все это говорит о проблематичности точного определения аналитическим путем работы измельчения. В связи с этим уточнение результатов, полученных выше аналитическим путем, в настоящей работе осуществляется посредством экспериментальных исследований, которые описаны в главе 3.
Питательная ценность белков может снижаться под влиянием химических агентов или энергетических и механических нагрузок. Под влиянием внешних факторов происходит разрыв большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру белковой молекулы. Упорядоченная, уникальная для каждого белка конформация пептидной цепи нарушается, и белковая молекула целиком или большая ее часть принимает форму беспорядочного клубка, т. е. происходит его денатурация. Денатурация ведет к изменению физических, химических и биологических свойств биополимера. В зависимости от природы денатурирующего агента выделяют механическую (сильное перемешивание или встряхивание, приложение больших нагрузок, высокое давление), физическую (нагревание от 60 С, охлаждение, облучение, обработка ультразвуком) и химическую (кислоты и щелочи, поверхностно-активные вещества, мочевина) денатурацию [13, 95, 104, 106, 136, 139, 140, 142].
При длительном или интенсивном воздействии химических агентов или энергетических и механических нагрузок (денатурирующих агентов) за процессом денатурации следует процесс деструкции белков, который ведет к более глубоким изменениям структуры и свойств белка, связанным с разрушением их макромолекул.
Как было указано в разделе 1.5, при измельчении мягких субпродуктов в измельчителях с питающим шнеком наблюдается генерация тепла в режущем механизме, которая ведет к значительному нагреву перерабатываемого сырья [33, Так, А. И. Пелеев экспериментально определил, что температура в режущем механизме при различных условиях может достигать 120 С [66, 111].
Известно, что нагревание кормов животного происхождения, к которым относятся мягкие субпродукты, до температуры 100 С и выше приводит к глубокой деструкции белков, которая протекает в двух направлениях одновременно: во-первых, происходит гидролитический распад белков с накоплением аминного азота, во-вторых, происходит деструкция некоторых аминокислот и белков мясных кормов с разрушением лабильных функциональных групп, например SH-групп цистина, тиометильной группы метионина. Особенно чувствительна к нагреву є-аминогруппа лизина. В результате таких превращений некоторая часть белков кормов животного происхождения становится недоступной для переваривания и усвоения организмом пушных зверей (т. е. процессы денатурации и деструкции ведут к уменьшению количества доступного для переваривания белка), что ведет к снижению питательной ценности этих кормов [28, 54, 75].
Питательная ценность белков характеризуется двумя показателями: аминокислотным составом и содержанием переваримого протеина. Для оценки влияния конструкций и режимов функционирования различных измельчителей на питательную ценность белков кормов животного происхождения удобно воспользоваться вторым показателем - содержанием переваримого протеина.
В процессе переработки кормов животного происхождения в измельчителях содержание переваримого протеина может снижаться. Количественно оценить величину снижения содержащегося в кормах животного происхождения переваримого протеина можно по такому параметру, как коэффициент сохранности переваримого протеина в кормах животного происхождения в процессе их переработки в измельчителе Л1т, используя следующее выражение
Исследование параметров, оказывающих влияние на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов
Анализ результатов исследования, представленных в табл. 3.2 и на рис. 3.10, позволил установить следующее: между мощностью N, затрачиваемой на измельчение мягких субпродуктов, и температурой мягких субпродуктов Т существует сложная зависимость. Так, в диапазоне температур от -25 до -5 С наблюдается небольшое уменьшение N, в 1,14 раза, от -5 до 0 С наблюдается значительное уменьшение N, в 2,33 раза и от 0 до 5 С изменений N не наблюдается. Такой характер зависимости N от Т соответствует механизму изменения энергозатрат процесса измельчения мягких субпродуктов в зависимости от их температуры, предложенному и обоснованному в разделе 2.1. Результаты исследования по определению N = f(T) позволяют сделать вывод, что измельчение мягких субпродуктов необходимо производить при температуре Г = -2...0С. Поиск оптимальных значений температуры измельчаемых мягких субпродуктов рассмотрен в разделе 3.3.3.
Исследование влияния угла скольжения лезвия ножа на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов
С целью выявления влияния угла скольжения лезвия ножей т на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов во время проведения опытов изменяли углы т в пределах от 0 до 75 с шагом 15 путем перестановки ножей и закрепления их на диске в различных положениях (для этого в диске просверлен ряд отверстий).
Методика проведения исследования была следующей. Мягкие субпродукты (смесь субпродуктов - говяжьи легкие, печень, почки, рубец и вымя) нарезали кусками, по форме представляющими собой прямоугольные параллелепипеды, таким образом, чтобы получить куски равного поперечного сечения 30x30 мм . Далее их дефростировали до температуры -2...0 С (в соответствии с разделом 3.3.1.) и устанавливали в тиски стенда. Затем на диск стенда посредством заклепок крепили ножи под заданным углом т и запускали электродвигатель. Плавно опуская рукоятку с нажимным переключателем стойки стенда, на которой крепится диск с ножами, вниз, производили перерезание мягких субпродуктов. Показания счетчика электрической энергии однофазного «Нева МТ 123» фиксировали посредством цифровой видеокамеры планшетного компьютера ASUS МЕ-173Х. По окончании исследования по полученным видеозаписям определяли значения потребной мощности стенда (на рабочем ходу) Npx. Для определения мощности, затраченной непосредственно на процесс измельчения мягких субпродуктов, запускали электродвигатель стенда и определяли потребную мощность стенда без их перерезания (холостой ход) Nxx. Полученные значения ALX и Nxx подставляли в выражение (3.4). Переставив ножи на диске под следующим углом т, повторяли опыты.
В ходе исследования осуществлялась пятикратная повторность опытов. В результате была получена выборка данных мощности, затраченной на процесс измельчения мягких субпродуктов N = f(r). Статистическая обработка произведена общепринятыми методами математической статистики [23, 78, 123] для 5%-го уровня значимости (табл. 3.3).
Определение оптимальных значений угла скольжения лезвия ножа и температуры измельчаемых мягких субпродуктов
Результаты проведенных экспериментальных исследований по определению N = f(r;T) дают наглядное представление о влиянии угла скольжения лезвия и температуры мягких субпродуктов на энергозатраты процесса их измельчения. Однако влияние этих параметров изучалось отдельно, т. е. варьировался только один параметр, а другой фиксировался на заранее выбранном уровне. Затем таким же путем исследовалось влияние другого параметра.
Следует отметить, что при таком подходе полученные выводы представляют лишь частный случай, т. к. не позволяют выявить силу каждого параметра, оценить роль их взаимодействия и отыскать их оптимальные сочетания. Поэтому для определения оптимальных значений параметров наиболее приемлемой является методика планирования многофакторного эксперимента [2, 27, 93].
В соответствии с методикой планирования много факторного эксперимента в качестве основных факторов, оказывающих влияние на энергозатраты процесса измельчения мягких субпродуктов, были выбраны следующие параметры: - Xl - температура измельчаемых мягких субпродуктов Т, С; - Х2 - угол скольжения лезвия ножа т,.
Уровни варьирования факторов (табл. 3.4) выбирали на основании результатов описанных ранее теоретических и экспериментальных исследований, а также анализа существующих исследований, приведенных в научной литературе.
Анализ уравнения регрессии (3.8) показывает, что на изменения критерия оптимизации N существенное влияние оказывают оба фактора -Тит. Причем увеличение фактора Т (температура измельчаемых мягких субпродуктов) увеличивает значение критерия оптимизации, а увеличение фактора т (угол скольжения лезвия ножа) уменьшает значение критерия оптимизации.
Далее был проведен пошаговый поиск минимума функции при сочетании факторов с помощью встроенной функции STATGRAPHICS Centurion XVI. На рис. 3.13 и 3.14 представлены графики поверхности отклика мощности N, затрачиваемой на измельчение мягких субпродуктов, и ее проекции в зависимости от температуры измельчаемых мягких субпродуктов Т и угла скольжения лезвия ножа г, которые наглядно демонстрируют область оптимальных значений факторов.
Экономическая эффективность применения предлагаемого измельчителя для звероводства
Для проверки теоретических предпосылок (глава 2) и результатов лабораторных экспериментальных исследований (глава 3) в кормоцехе зверофермы животноводческого предприятия ЗАО «Пряжинское», Республика Карелия, были проведены производственные испытания предлагаемого измельчителя для звероводства и измельчителя МТК-78 с питающим шнеком, который был взят за основу базовой модели (рис. 4.1).
Методика проведения испытания была следующей. Мягкие субпродукты (смесь субпродуктов - говяжьи легкие, печень, почки, рубец и вымя) в специальных контейнерах электропогрузчиками доставляли из холодильника в кормоцех, где их дефростировали и взвешивали на промышленных электронных платформенных весах с 4 датчиками ВСП4-2000А-1212 (погрешность 0,5 кг). Далее одну часть мягких субпродуктов перерабатывали в базовом измельчителе, а другую - в предлагаемом. Предлагаемый измельчитель был изготовлен на базе имеющегося в кормоцехе измельчителя МТК-78 с питающим шнеком посредством замены подающего и режущего механизмов на предлагаемый режуще-транспортирующий механизм в натуральную величину, при оптимальных значениях его конструктивно-технологических параметров, в соответствии с результатами, полученными в разделах 3.3.3. и 3.4.2. (и = 100мин-1, z = l, а = 48, Т = -1 ...О С, г = 40 ). В ходе испытания также замеряли длительность процесса измельчения, посредством электронного секундомера, и потребную мощность N измельчителя, посредством счетчика электрической энергии. Производительность измельчителя Q рассчитывали по выражению (3.1). Степень измельчения мягких субпродуктов Л и коэффициент сохранности переваримого протеина в мягких субпродуктах в процессе их переработки в измельчителе Лии определяли по методикам, описанным в разделе 3.2.
В ходе испытания осуществлялась пятикратная повторность опыта. По окончании испытания была получена выборка данных N, Q, Л и Лии для базового и предлагаемого измельчителей. Статистическая обработка полученных данных произведена общепринятыми методами математической статистики [23, 78, 123] для 5%-го уровня значимости. Далее значения N, Q, Л, Лтт подставляли в выражение (2.39) и определяли удельную энергоемкость измельчителя Эудизм (табл. 4.1). Для проверки и корректировки математических моделей (предложенных в главе 2) потребной мощности N и производительности Q предлагаемого измельчителя для звероводства в выражения (2.46) и (2.48) были подставлены его оптимальные значения конструктивно-технологических параметров, табличные значения физико-механических свойств мягких субпродуктов [5, 29, 40, 55], а также значения других необходимых параметров, входящих в данные выражения. В результате получены значения N и Q (теоретические), которые были сопоставлены с результатами производственных испытаний (экспериментальные) предлагаемого измельчителя для звероводства (табл. 4.2).
Как видно из табл. 4.1, потребная мощность предлагаемого измельчителя меньше, чем базового, на 34 % как реального объекта и на 36 % как модели; производительность предлагаемого измельчителя больше, чем базового, на 3 % как реального объекта и на 5 % как модели; степень измельчения предлагаемого измельчителя больше, чем базового, на 123 % (или в 2,23 раза) как реального объекта и на 126 % (или в 2,26 раза) как модели; коэффициент сохранности переваримого протеина предлагаемого измельчителя больше, чем базового, на 7 % как реального объекта и на 6 % как модели; удельная энергоемкость предлагаемого измельчителя ниже базового в 3,25 раза как реального объекта и в 3,95 раза как модели. Все это говорит о более высокой эффективности предлагаемого измельчителя по сравнению с измельчителем МТК-78.
Экономическая эффективность применения предлагаемого измельчителя для звероводства При расчете экономической эффективности применения предлагаемого измельчителя для звероводства использовались методики, изложенные в работах [10, 57, 114]. Расчет осуществлялся на примере зверофермы животноводческого 121 предприятия ЗАО «Пряжинское» (на 01.01.2014 года насчитывалось поголовье п3 = 10447 пушных зверей, включая норок, песцов и лисиц). Методики предназначены для комплексной оценки экономической эффективности применяемых и создаваемых технологий производства продукции животноводства, комплектов технических средств и отдельных машин. Исходные данные для расчета экономической эффективности приведены в табл. 4.1 (для измельчителей как реальных объектов). Для определения величины капитальных вложений KB на переоборудование имеющихся в звероводческих предприятиях измельчителей с питающим шнеком МТК-78 в предлагаемый измельчитель для звероводства необходимо рассчитать величину затрат на материалы Змат для переоборудования, а также величину затрат на механическую обработку этих материалов с последующим монтажом Зобр.
