Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие технологии и технические средства производства растительных, экологически безопасных кормов 13
1.1. Обзор и сравнительная оценка существующих технологий заготовки растительных кормов 13
1.2. Анализ применяемых конструкций прессов для механического обезвоживания зеленых растений 23
1.3. Влияние эколого-техногенной нагрузки на особенности накопления соединений тяжелых металлов в объектах окружающей среды 35
1.4. Существующие методы снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду 45
1.5. Анализ формирования и развития структуры технологических комплексов производства экологически безопасных обезвоженных кормов 54
Глава 2. Методология формирования и развития структуры технологических комплексов производства растительных, экологически безопасных кормов 67
2.1. Методология формирования поточно-технологических систем производства растительных, экологически безопасных кормов 67
2.2. Эколого-биоэнергетическая система формирования энергопродуктивности технологии производства растительных, экологически безопасных кормов 79
2.3. Энерготехнологическое прогнозирование структуры технологических комплексов животноводства 102
2.4. Динамическая модель взаимодействия эколого-энергетических и продуктивных потоков при различных антропогенных воздействиях на растительный материал при производстве кормов 118
Глава 3. Параметрические модели взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в рабочих камерах машинных комплексов производства кормов 156
3.1. Обоснование конструктивных параметров питания шнековых прессов 164
3.2. Аналитические исследования процесса перемещения элементов частиц зеленых растений в шнековых прессах 168
3.3. Граничные условия для частицы на поверхности шнека и лопаток 174
3.4. Теоретические закономерности траектории движения частиц зеленых растений в шнековых прессах 180 Глава 4. Методика проведения исследований и обработки результатов 193
4.1. Место проведения исследований 193
4.2. Программа и методика экспериментальных исследований технологических и технических средств механизации заготовки экологически безопасных обезвоженных кормов 195
4.3. Методика планирования и проведения лабораторных исследований 198
4.4. Методика проведения производственных испытаний 207
Глава 5. Результаты исследования технологии и оборудования производства растительных, экологически безопасных кормов 212
5.1. Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств корма 212
5.2. Результаты адекватности теоретических и экспериментальных исследований системы питания шнекового пресса 214
5.3. Результаты исследования по определению накопления и распределения тяжелых металлов в растительных объектах и воде 215
5.4. Экспериментальные и производственные испытания шнекового пресса с усовершенствованным питанием 220
Глава 6. Результаты производственных испытаний и технико-экономические показатели производства растительных, экологически безопасных кормов 247
6.1. Результаты производственных испытаний производства экологически безопасных обезвоженных кормов 247
6.2. Технико-экономические показатели технологии и технических средств производства экологически безопасных обезвоженных кормов 257
Выводы 269
Заключение 272
Список использованной литературы 273
Приложения 314
- Обзор и сравнительная оценка существующих технологий заготовки растительных кормов
- Методология формирования поточно-технологических систем производства растительных, экологически безопасных кормов
- Обоснование конструктивных параметров питания шнековых прессов
- Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств корма
Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе преобразования агропромышленного комплекса Российской Федерации одной из важнейших задач является увеличение производства продукции животноводства, где главное внимание уделяется более полному обеспечению населения качественными экологически безопасными продуктами питания, а промышленных отраслей сырьем (Цугленок Г.И., Клундук Г.А., 2002).
Наращивание продукции животноводства невозможно без повышения эффективности всех производственных процессов, создания прочной кормовой базы, разработки и внедрения безотходных ресурсо- и энергосберегающих технологий (Bauer, L, 1980; Родичев В.А., 1986; Богатырев А.Н. и др., 1993; Антонов Н.М. и др., 1995; Столяров Г.В., 2001; Экологическая доктрина., 2004).
Современное животноводство невозможно представить без широкого использования искусственно обезвоженных кормов в различной физической форме. Научные исследования и практический опыт передовых хозяйств свидетельствуют о том, что применение обезвоженных кормов в рационах животных - надежное средство повышения их продуктивности. Это обусловлено тем, что при обезвоживании кормов в них сохраняется значительно больше питательных веществ, чем в кормах, которые заготовлены по традиционным технологиям.
Перспективной технологией, с позиции сохранения питательных веществ, снижения антропогенной нагрузки и энергоемкости производства, является технология механического обезвоживания зеленых растений (МОР).
Теоретические и экспериментальные исследования в данном направлении выполнены Н.М. Антоновым, Ю.В. Беловым, Ю. Богуславским, А.В. Бодилов-ским, В.Ю. Валушис, И.А. Долговым, A.M. Завражным, А.А. Лобан, Ю.Ф. Новиковым, А.А. Панасенко, Н.И. Пройдаком, Г.И. Проценко, В.Н. Савиных, М.М. Северневым, В.Н. Слесь, В.А. Ткаченко, В.И. Фоминым, П.И. Чечевицы-ным, М. Яцко и др.
Основной операцией технологии механического обезвоживания является отжатие сока из зеленых растений. Наиболее распространенными отжимными устройствами непрерывного действия являются шнековые прессы. Из-за отсутствия специальных шнековых установок для отжатия зеленого сока из травы используется оборудование, разработанное для предприятий пищевой промышленности, которое не обеспечивает необходимых параметров процесса обезвоживания корма вследствие особых физико-механических свойств материалов (Белов Ю.В. и др., 1978).
Прессовые устройства, применяемые в настоящее время, имеют малую производительность и большие энергозатраты на производство единицы продукции (Панасенко А.А. и др., 1976). При этом вопросу повышения эффективности технических средств отжатия зеленого сока, особенно за счет конструктивного совершенствования рабочих органов, внимания уделяется крайне недостаточно (Завражнов A.M. и др., 1980). Поэтому исследование факторов, влияющих на производительность прессов и качество жома, является актуальной научно - технической задачей.
Ранее проведенные теоретические и экспериментальные исследования, а также производственные испытания прессового оборудования выявили ряд нерешенных вопросов. В частности, установлено, что на производительность пресса при механическом обезвоживании растений существенно влияет его система питания, при этом достаточно обоснованные конструктивные схемы, параметры и режимы таких систем до сих пор отсутствуют (Масликов В.А., 1974; Завражнов A.M. и др., 1982). Поэтому исследование факторов, влияющих на производительность прессов и качество жома, является актуальной научно-технической задачей.
Изучению влияния эколого-техногенной нагрузки на особенности накопления соединений тяжелых металлов в объектах окружающей среды посвятили свои исследования Р.В. Алхименко, И.Ю. Борцова, М.В. Буторина, В.И. Вернадский, А.П. Виноградов, М.И. Гладышев, В.Н. Горбачев, Н.Д. Давыдова, В.А.
7 Даувальтер, Е.В. Еремейкин, К. Д. Каракис, В.В. Ковальский, В.А. Колесников,
И.А. Лапин, А.И. Лобанов, А.Е. Мирошников, Дж. Мур, Н.В. Цугленок и др.
Значительное ухудшение экологической обстановки приводит к поступлению и накоплению токсичных веществ в растениях, затем организме сельскохозяйственных животных и в получаемой от них готовой продукции, что создает проблемную ситуацию для потребления человеком. Вместе с тем анализ научных работ в рассматриваемом направлении свидетельствует о том, что отсутствуют исследования по снижению концентрации тяжелых металлов в зеленых растениях непосредственно в процессе заготовки кормов.
В связи с этим актуальной является проблема создания энергосберегающих технологических процессов и технических средств заготовки экологически безопасных кормов на основе системного анализа материальных и энергетических потоков, оптимизации параметров и режимов работы машин и оборудования.
Многообразие факторов, определяющих увеличение продуктивности готовой продукции, при одновременном сохранении ее качества, обусловливает необходимость системного подхода при решении вопросов энерготехнологического обеспечения производства и переработки экологически безопасного сырья, заключающегося в систематизации организационных, структурных, агротехнических и методологических мероприятий, регламентирующих выбор культур, технологии, сроков применения технологических приемов, их последовательность, взаимосвязь комплектования техническими средствами с учетом природно-климатических условий и материально - технического обеспечения.
Теоретические исследования, выполненные в данном направлении (Аско-ченская Н.А., Бакулев Л.С., Вайцеховская Е.Р., Гараев Я.Г., Горячкин В.П., Ио-финов С.А., Киртбая Ю.К., Лурье А.Б., Мельников СВ., Москалев М.Т., Новиков Ю.Ф., Рабштына В.М., Стрижевский В.И., Цугленок Н.В. и др.), охватывают широкий круг задач по изучению увеличения продуктивности в сельскохозяйственном производстве, разработке новых энергосберегающих технологий.
8 Однако в них недостаточно полно раскрываются причинные и функциональные взаимосвязи между явлениями, возникающими при взаимодействии энергетических и продуктивных потоков в технологических процессах и применением этих связей при решении практических задач в кормопроизводстве.
Работа выполнена по тематическим планам ФГОУ ВПО «Красноярский ГАУ» «Исследования по повышению эффективности производства экологически безопасных продуктов повышенной биологической ценности с помощыо механического обезвоживания исходного сырья», региональным программам и заданиям ГКНТ.
Целью исследований является: разработка энергосберегающей технологии и технических средств производства растительных, экологически безопасных кормов в условиях Красноярского края для улучшения их качественных показателей и снижения энергозатрат.
Объект исследования - параметры и структура энергосберегающего технологического комплекса, используемого при производстве растительных, экологически безопасных кормов.
Предмет исследования - закономерности и взаимосвязи, определяющие условия эффективного функционирования энергосберегающей технологии и технических средств производства растительных, экологически безопасных кормов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: — провести анализ существующих технологий и технических средств производ ства растительного, экологически безопасного сырья; - разработать методологию формирования и развития структуры технологиче ских комплексов производства растительных кормов при взаимодействии энер гетических и продуктивных потоков в технологических процессах сельскохо зяйственного производства; разработать параметрические модели взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в рабочих камерах машинных комплексов заготовки кормов; разработать общую методику теоретических и экспериментальных исследований производства экологически безопасных обезвоженных кормов; провести исследования технологии и параметров оборудования производства растительных, экологически безопасных кормов; дать технико-экономическую оценку технологии и техническим средствам производства растительного, экологически безопасного корма.
Научная новизна исследований заключается: в разработанной теоретической модели формирования и развития структуры технологических комплексов и технических средств производства экологически безопасных обезвоженных кормов; в обосновании закономерностей взаимодействия энергетических и материальных параметров предлагаемой технологии; в разработанных методиках исследований и аппаратурном оформлении питания шнековых прессов; в определении эффективных режимов технологического процесса механического обезвоживания зеленых растений; в получении закономерностей влияния технологических параметров механического обезвоживания растений на качественные показатели кормов; в эколого-токсикологическом и биохимическом обосновании методов и технологий производства кормов.
Основные положения, выносимые на защиту: - модель энергетической системы управления энергопродуктивностыо кормо производства, позволяющая по целевым функциям энергетического и стоимо стного доходов с единых методологических позиций оценить взаимодействие энергетических и продуктивных потоков в кормопроизводстве и выбрать паи-
10 более оптимальный комплекс структуры производства экологически безопасных растительных кормов с энергоэкономичной системой машин; параметрические модели взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в рабочих камерах машинных комплексов, позволяющие рассматривать технологические комплексы заготовки кормов как суммарную систему последовательных энергетических воздействий для заданного структурно-качественного изменения продукта; закономерности формирования рациональной структуры производства растительных кормов с энергоэкономичной системой машин и определение влияния предлагаемой технологии и технических средств на качественные и энергетические показатели производства готовой продукции; методика биоэнергетической и экономической оценки технологий производства обезвоженных кормов.
Практическая значимость работы заключается - в разработке методики формирования и прогнозирования рациональной структуры технологических комплексов заготовки экологически безопасных кормов на основе оценки энергетического и стоимостного этапов их производства; в разработке методики и оценке экологической безопасности кормов; в разработке методики расчета производительности и конструктивных параметров системы питания шнеко-вых прессов; в эколого-токсикологической, биохимической и энергетической оценке технологий производства кормов; в разработке методики биоэнергетической и экономической оценки технологий и технических средств, используемой при производстве искусственно обезвоженных кормов.
Реализация результатов исследований. Технологические линии производства кормов прошли испытания в производственных условиях подсобного хозяйства ГУП «Красмашзавод», ЗАО «Племенной завод Элита» Красноярского края.
Результаты выполненных научно-технических разработок рассмотрены и утверждены управлением агропромышленного комплекса администрации
Красноярского края и включены в рекомендации по повышению эффективности использования технологий и технических средств производства экологически безопасных обезвоженных кормов (Красноярск, 2005).
Результаты исследований используются в учебном процессе для студентов факультета механизации сельского хозяйства и слушателей курсов повышения квалификации инженеров сельскохозяйственного производства при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» при проведении занятий по дисциплине «Технологическое оборудование отрасли».
Достоверность полученных результатов подтверждается научной обоснованностью предлагаемых решений, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов и их практического использования, данными испытательного центра ФГУ ГЦАС «Красноярский» (аттестат аккредитации № РОСС RU. 001.514618 от 15 декабря 2003 г.), ГУ Красноярской краевой ветеринарной лаборатории (аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.21ПУ01 от 30 декабря 1999 г.), испытательного центра ФГОУ ВПО «КрасГАУ» по контролю качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов (аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.21 ПО 11 от 05 апреля 2004 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999); 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (г. Красноярск, 2001); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (г. Красноярск, 2004); научно-практической конференции «Высокопроизводительное использование сельскохозяйственных машин и агрегатов с мощными тракторами» (Красноярск, 1986); научной конференции «Наука — сельскохозяйственному производству» (г. Красноярск, 1993); научной конференции «Технология неистощительного землепользования» (Красноярск, 1997);
12 5-й юбилейной региональной конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 2000); Региональной межвузовской экологической конференции «Экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 2000); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского ГАУ (г. Пушкин, 1986 - 1990), Литовской СХА (г. Каунас, 1987), ФГОУ ВПО «Красноярский ГАУ» (1986 - 2004).
Личный вклад автора в представленной работе складывается из непосредственного участия в выборе направления научного поиска, разработке теоретических положений, самостоятельного выполнения комплекса исследований и полученных результатов.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 40 научных работах, в том числе в 4-х монографиях и в 29 изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций:
Система питания шнековых прессов в технологии производства обезвоженных кормов: моногр. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2004.-110 с.
Энергосберегающая технология и технические средства производства растительных, экологически безопасных кормов в условиях Красноярского края: моногр. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2005.-146 с.
Эколого-энергетическая модель формирования структуры сельскохозяйственного производства // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск. - 2004. - Вып. 5. - С. 268-273.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и заключения. Работа изложена на 385 страницах машинописного текста, включает 105 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 387 наименований и приложения.
Обзор и сравнительная оценка существующих технологий заготовки растительных кормов
Наибольшее распространение получили стационарные технологические линии для искусственной сушки свежескошенных или предварительно подвяленных трав и производства травяной муки, резки, фанул и брикетов. В первом случае получают корма более высокого качества, но расходуется много топлива, а производительность сушилок снижается при значительной влажности трав (Фомин В.И. и др., 1983; Reznicek., 1982; Князев В.В., 1985). Для устранения этих недостатков осуществляют провяливание травы в поле или применяют двухфазовую технологию сушки. Однако в этом случае увеличивается потребность в уборочно-транспортных машинах, снижается качество сырья, наблюдается зависимость от погодных условий (Дравининкас A.M. и др., 1983; Севернев М.М. и др., 1980).
При изучении эффективности различных способов консервирования зеленых кормов установлено, что наибольшее количество кормовых единиц содержится в травяной муке искусственной сушки (Благовещенский Г.В. и др., 1969; Барабаш Г.И., 1979; Девяткин А.И. и др., 1981; Зарипова Л.П., 1985). Высокое содержание питательных веществ и их лучшая перевариваемость обусловлены быстрым искусственным обезвоживанием зеленых растений. Так, выход кормовых единиц в травяной муке почти в два раза выше, чем при естественной сушке сена (Девяткин А.И. и др., 1981; Антонов Н.М. и др., 2002).
Для сушки зеленых кормов применяют низкотемпературные и высокотемпературные сушильные агрегаты (рис. 1.3). Широкое применение в практике для производства травяной резки и муки нашли высокотемпературные сушильные агрегаты типа АВМ и их модернизированные варианты (Мельников СВ. и др., 1972; Инструкция, 1976; Салусте Л.М., 1987).
Сушильные агрегаты
Из исследований (Валушис В.Ю., 1977; Мальтри В. И др., 1979; Андреев В.В. и др., 1978; Севернее М.М. и др., 1980; Комаров В.И. и др., 1983) следует, что производительность сушильных агрегатов, расход топлива и электроэнергии существенно зависят от влажности исходного сырья, поступающего на сушку. Так, изменение влажности на 10% позволяет повысить производительность сушильного агрегата по исходной массе на 17%, по резке на 40%, а расход топлива сократить на 29% (Смирнов В.Л. и др., 1989).
Поэтому в современных технологиях производства кормов заслуживает особого внимания использование частичного предварительного механического обезвоживания растений (Валушис В.Ю., 1977; Фомин В.И. и др., 1972, 1983; Долгов И.А. и др., 1978; Новиков Ю.Ф., 1984; Чечевицын П.И., 1975; Ткаченко В.А. и др., 1980; Панасенко А.А. и др., 1976; Севернев М.М. и др., 1980; Прой дак Н.И., 1987; Зильбер И.А., 1985; и др.).
В основе этой технологии лежит механическое разделение зеленых растений на волокнистую (жом) и жидкую (сок) фракции. Базовая структура механического обезвоживания зеленых растений представлена на рисунке 1.4 (Фомин В.И., 1972).
До прессования слой корма можно считать пористой, упруго-пластичной средой с незначительными силами связи между отдельными растительными элементами. Поры такого материала заполнены воздухом, а твердые составляющие представляют собой тонкостенные оболочки, заполненные соком.
В начале процесса сжатия происходит уменьшение объема пор слоя и вытеснение из него воздуха. С дальнейшим увеличением деформации растительные элементы, которые испытывают наибольшее напряжение, разрушаются и поры массы наполняются соком. За счет воздействия на жидкость давления со стороны сближающихся твердых частиц растений сок, в соответствии с ламинарным законом фильтрации Дарси, фильтруется в направлении наибольшего градиента давления. Последующая деформация увеличивает количество разрушенных растительных элементов и соответственно объем сока, выделенного в поры массы, что, в конечном итоге, приводит к его выходу из сжимаемого слоя (Панасенко А.А. и др., 1976).
При прессовании в сок переходит 20 - 25% питательных веществ, что не обедняет получаемый грубый корм. В процессе отжима зеленой массы на прессе из нее выделяется 45 - 55% сока, что позволяет получить жом с влажностью 62 - 68%. Технология механического обезвоживания растений позволяет скармливать животным питательные вещества таких растений, которые в обычных условиях плохо поедаются (сорняки, ботва, осока, камыши и т.д.) (Антонов Н.М. и др., 1999,2000).
Методология формирования поточно-технологических систем производства растительных, экологически безопасных кормов
Энергетический кризис, охвативший развитые страны в начале 70-х годов, обострил интерес к проблеме энергетических ресурсов нашей планеты и показал, что человечество не может больше бездумно и расточительно их расходовать (Лактионова Н.А., 1999).
Ведущая роль в широкой программе развития сельскохозяйственного производства принадлежит интенсификации, базирующейся на все возрастающем использовании в этой отрасли топливно-энергетических ресурсов. Повышение урожайности сельскохозяйственных растений и продуктивности животных сопровождается созданием современных технических средств и условий для их жизнедеятельности, а также проведением необходимых мероприятий по защите живых организмов от воздействия внешних факторов. Все это требует значительных затрат энергии. И чем современнее сельскохозяйственное производство, чем крупнее его масштабы, тем больше оно нуждается в дополнительных энергоресурсах. Эта тенденция четко прослеживается в аграрном секторе всех стран мира (Родичев В.А. и др., 1987).
Серьезным недостатком современных направлений интенсификации сельскохозяйственного производства является нарушение экологического равновесия в природе и как следствие - снижение плодородия почв, загрязнение окружающей среды, увеличение энергозатрат. Энергетическая цена, которую приходится платить, чтобы ликвидировать эти последствия, рекультивируя и восстанавливая эрозированные земли, очищая водоемы, усложняя водозаборные и очистные сооружения и т.д., непрерывно растет. Это тоже приводит к дальней 68 шему снижению биоэнергетической эффективности агроэкосистемы. Кроме того, интенсификация сельскохозяйственного производства, ориентированная только на увеличение потребления энергоресурсов, потребовала бы огромных материальных затрат, причем в этом случае прирост продукции далеко не пропорционален уровню возрастающих вложений.
По существу ведение сельскохозяйственного производства можно рассматривать как управление экосистемой с целью получения продукции растениеводства и животноводства, необходимых для питания или сырья, на основе использования дополнительных источников энергии и материалов.
В последнее время исследование биотехнических систем превратилось в целостную науку, опирающуюся на идеи фундаментального и прикладного характера. Причем акцент в этих исследованиях сегодня переносится на изучение эколого-энергетических аспектов биотехнических систем, что обусловливается все возрастающей энергетической стоимостью экологически безопасной животноводческой продукции (Мельников СВ., 1985).
С учетом вышеизложенного, в процессе формирования модели сельскохозяйственного производства по совокупности энергетических, продуктивных и временных показателей, необходимо учитывать эколого-токсикологическую составляющую (Е экол. токс. С0Ст.) которая характеризует техногенное загрязнение тяжелыми металлами продукции растениеводства и животноводства.
В выражении (1.4) для расчета общего энергетического потока (Е0) в сельскохозяйственном производстве предлагается использовать показатель (Е экол. токе, сост.)- При этом справедливо равенство: М) = Ц + = Цюч+Ц ар+ экол токс С0СТ+Ь, +Ь„ +ЬШ. (2.1)
Эколого-энергетический подход позволяет разработать модель управления формированием энергопродуктивности животноводства в эколого-биологическом цикле, представляющую собой систему, состоящих в определенной иерархии по вертикали из параллельно расположенных подсистем, каж 69 дая из которых по горизонтали состоит из ряда блоков, формирующих тот или иной вид энергетического воздействия в подсистеме (рис. 2.1).
Подск на проду [СТЄМ,сты-п аэне{ олуф. )ГЄТИ абрик 4ЄСК0аты го воздействия 1 — 2 — 3 — п - Рис. 2.1. Энергетическая система управления формированием продуктивности животноводства Решения данной системы формируются с учетом иерархии подсистем от высшего к низшему уровню, по вертикали и горизонтали.
Энергетическая система управления формированием продуктивности животноводства представляет собой сложную биотехническую систему.
На вход системы действует энергетический потенциал, представляющий собой поток совокупной энергии, поступающей от всех имеющихся источников. Функционирование такой системы заключается в технологическом преобразовании подведенной энергии. При функционировании биотехнических систем главная роль принадлежит процессам энергообмена между биологическими и техническими элементами системы. При этом действует общий закон природы - закон сохранения и превращения энергии, согласно которому энергия любой системы при всех процессах, происходящих в ней, сохраняется. Если же система подвергается таким внешним воздействиям, в результате которых она переходит из одного состояния в другое, то возрастание (убывание) ее энергии равно убыли (возрастанию) энергии взаимодействующих с ней тел и полей. В результате функционирования система на выходе выдает продукт животноводства, который оценивается энергетическими эквивалентами (Мельников СВ., 1978, 1985).
Единый производственный процесс получения животноводческой продукции в отношении использования энергии можно расчленить на три относительно самостоятельных, но взаимосвязанных подсистемы. Причем главным условием, обеспечивающим возможность осуществления производственного процесса в животноводстве, служит подсистема эколого-энергетических воздействий, а единственным общим элементом, связывающим все три подсистемы в единый процесс, являются энергетические потоки.
На входе общего производственного цикла реализуются технологические процессы по обслуживанию животных (кормопроизводство, водоснабжение и др.), которые представляют собой подсистему I - подготовительный этап производства животноводческой продукции. К организации кормопроизводства и кормления необходимо подходить с позиции энерго-ресурсосбережения, как основному фактору, позволяющему сократить затраты и повысить рентабельность производства. При этом необходимо учитывать, что 85 % сельскохозяйственных угодий занято под производство кормов. Подсистема I лишь создает необходимые предпосылки для более эффективного осуществления последующих биологических (молокообразование, прирост живой массы и др.) и биотехнологических процессов. С энергетической точки зрения все технологические процессы этого этапа сводятся к энергонасыщению кормового сырья и других исходных материалов.
Обоснование конструктивных параметров питания шнековых прессов
На работу шнековых прессов оказывает большое влияние система питания, которая должна не только обеспечить процесс прессования необходимым количеством материала, но и равномерно распределить его по периметру цилиндра, транспортируя в зону прессования (Подкользин Ю.В. и др., 1977; Антонов Н.М. и др., 1994,1999).
При гравитационной загрузке пресса растения, захватываемые шнеком, заполняют пространство между витками и на них воздействует окружная сила винта и сила тяжести. В соприкосновении с вращающейся винтовой поверхностью материал изменяет свое направление и приобретает одновременно вращательное и поступательное (вдоль оси шнека) движение. Вследствие наличия силы трения (внутреннего и внешнего) монослой замедляет движение и растения проскальзывают по поверхности винта. При заборе и транспортировании зеленой массы наблюдается сложное динамическое взаимодействие между растениями и шнеком, стенками корпуса горловины и зеерного цилиндра пресса.
На рабочей поверхности шнека существует вдоль оси некоторая область, которая не участвует в транспортировании продукта (Григорьев A.M., 1972).
Анализ существующих систем питания прессующих устройств, предназначенных для работы с различными материалами, позволяет сделать вывод о том, что рациональнее использовать устройства с активными и пассивными рабочими органами. Это позволяет обосновать конструкцию захватывающего рабочего органа (ЗРО) в загрузочной горловине пресса свободного от недостатков, присущим вышеупомянутым устройствам и сформулировать следующие предъявляемые к нему требования: обеспечение высокой производительности шнековых установок при одновременном снижении удельных энергозатрат за счет обеспечения равномерного распределения зеленых растений по сечению зеерного цилиндра; получение на выходе из пресса жома однородной влажности.
Исходя из вышеизложенного был разработан захватывающий рабочий орган (рис. 3.2), находящийся в зоне загрузочной горловины пресса, расположенный на витках шнека и представляющий собой лопатки определенной формы (Патент на изобретение №2147992). Шнековый пресс работает следующим образом.
В загрузочную горловину 1 поступает измельченная зеленая масса растений и распределяется в верхней части межвиткового пространства шнека 5. Далее она принудительно захватывается лопатками 6 и перемещается в нижнюю часть зеерного цилиндра 2. Одновременно зеленая масса подвергается воздействию вращающегося с заданной частотой шнека с лопатками, в результате чего она получает вращательно-поступательное движение по внутренней поверхности зеерного цилиндра. Но, поскольку поверхность соприкосновения зеленой массы с внутренней поверхностью зеерного цилиндра гораздо больше площади лопаток, корм скользит по грани последних и остается в нижней части шнека. Лопатки 6, продолжая движение, захватывают в верхней части новую порцию зеленой массы и процесс повторяется. Обезвоженный жом выдавливается через запорное устройство 3, которое приводится в движение гидроцилиндром
Равномерное распределение материала по периметру зеерного цилиндра улучшает технологический процесс обезвоживания и дает возможность получить на выходе из пресса жом однородной влажности.
Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств корма
Описанная математическая модель для расчета траектории движения частиц материала запрограммирована на языке Turbo Basic (приложение 22, 23).
Как известно (Мак-Кракен Д. и др., 1977; Хемминг Р.В., 1972; Корн Г. и др., 1984; Бронштейн И.Н. и др., 1986), существует несколько методов численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Для получения высокой точности результатов при умеренных затратах времени счета на ПЭВМ был выбран метод Рунге-Кутта.
Блок-схема программы, наглядно показывающая ход решения задачи, представлена в приложении 22. Из-за сложности задачи П.М. Василенко (1960) предполагает, что возможными траекториями относительного движения частицы могут быть архимедова, логарифмическая спирали или развертка окружности. Используя разработанную математическую модель, были выполнены рас четы траектории движения частицы зеленой массы в шнековом прессе по логарифмической спирали: Р = Р0еа, (3.65) где ро - расстояние частицы от оси на поверхности диска при полярном угле 9 = 0; а - некоторая постоянная, зависящая от угловой скорости вращения шнека и от начальных условий.
Для оценки достоверности предложенного закона изменения траектории движения частицы (3.42) была составлена программа на языке Quick Basic (приложение 24, 25). Для более достоверной оценки полученных результатов в данной программе траектория движения частицы разбивалась на секторы. В нашем случае формула (3.65) имеет вид: R = aebF, (3.66) где R - радиальная координата частицы; F - угловые координаты частицы для каждого сектора; а и b - параметры, определяемые значениями R и F для данного сектора траектории движения частицы.
Графические зависимости траектории движения частицы по логарифмической и архимедовой спиралями представлены на рисунке 3.5. Так как разница между ними практически отсутствует, то можно принять любую из них.
Кривые представляющие Архимедову спираль, описываются некоторой точкой, движущейся по лучу на каждом из участков с постоянной скоростью, а у логарифмической спирали на каждом из участков сектора скорость изменения траектории движения частицы различная (Бронштейн И.Н. и др., 1980). В связи с вышеизложенным, более адекватно описывает траектории движения частицы корма по захватывающему рабочему органу логарифмическая спираль.
Угол схода частицы с поверхности лопатки уменьшается с увеличением частоты вращения шнека от 308 градусов до 290 градусов (рис. 3.8 и 3.9). При этом радиальная координата стремится к увеличению.
С увеличением площади поверхности лопатки с 0,011 м2 до 0,0187 м2 угол схода частицы зеленой массы увеличивается от 287 градусов до 342 градусов (рис. 3.10,3.11).
При увеличении угла наклона лопатки относительно витка шнека с 35 до 55 градусов угол схода элементарной частицы с поверхности ЗРО увеличивается с 331 до 356 градусов (рис. 3.12, 3.13).
При гравитационной загрузке в пресс зеленой массы элементарная частица в начальный период времени движется прямолинейно, перпендикулярно к оси вала шнека. Это движение будет совершаться до тех пор, пока частица не попадет на виток шнека или поверхность лопатки. При этом она имеет некоторую начальную скорость относительно шнека и поверхности лопатки. Из анализа графиков (рис. 3.6-3.13) видно, что траектория движения частицы в загрузочной горловине пресса зависит от частоты вращения шнека, площади лопаток и их угла наклона к витку шнека.
При выходе лопатки из зоны, находящейся ниже вала шнека, частица не вовлекается во вращательное движение вследствие минимальной площади ее соприкосновения с захватывающим рабочим органом (рис. 3.14, 3.15). Угол схода частицы с лопатки и радиальная координата возрастают при увеличении угла ее первоначального расположения.
Наличие лопаток на витках шнека в загрузочной горловине пресса показывает (рис. 3.16 а), что с увеличением оборотов шнека радиальная координата положения элементарной частицы резко увеличивается, тогда как без наличия лопаток данная координата меняется незначительно. Угол схода частицы с лопатки при увеличении числа оборотов шнека увеличивается до 310 градусов, а затем уменьшается.
