Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 9
1.1 Влияние состава комбикорма на продуктивность животных 9
1.2 Особенности использования жидких компонентов 12
1.3 Способы ввода жидких компонентов в комбикорма 15
1.4 Схемы существующих конструкций для ввода жидких компонентов в комбикорма 17
1.5 Биологические основы процесса насыщения измельченного зерна жидкостью 33
1.6 Существующие виды измельчителей фуражного зерна 35
1.7 Анализ исследований по смешиванию кормов и обоснование объекта исследования 41
1.8 Теория распыления жидкости диском с использованием каналов 51
1.9 Основные выводы. Цель и задачи исследования 59
2. Теоретические предпосылки к обоснованию параметров процесса ввода жидких компонентов при измельчении фуражного зерна в молотковой дробилке 61
2.1 Траектория капель в зоне свободного движения 61
2.2 Обоснование расположения оси канала относительно вертикальной плоскости молотков 63
2.3 Определение основных параметров процесса смешивания в молотковой дробилке 66
2.3.1 Скорость зерновой частицы до подачи жидкости 66
2.3.2 Скорость зерновой частицы после подачи жидкости 73
2.3.3 Влияние подачи материала на высоту камеры смешивания 75
2.4 Математическая зависимость однородности смешивания от конструктивно-кинематических параметров 78
2.5 Определение производительности молотковой дробилки 80
2.6 Выводы по главе 80
3. Программа и методика экспериментальных исследований 82
3.1 Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья 82
3.2 Эксперимент по исследованию рабочего процесса молотковой дробилки 84
3.2.1 Описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров 84
3.2.2 Порядок проведения опытов 90
3.2.3 Выбор факторов, влияющих на процесс смешивания в молотковой дробилке 94
3.3 Методика планирования эксперимента 96
3.4 Методика определения расхода жидкости 100
3.5 Методика определения однородности смешивания 101
3.6 Методика определения высоты камеры смешивания 104
3.7 Методика определения угла естественного откоса 105
4. Анализ экспериментальных исследований 106
4.1 Исследование однородности смешивания жидкости в измельченной пшенице на выходе из дробилки 106
4.2 Исследование однородности смешивания жидкости в измельченном овсе на выходе из дробилки 108
4.3 Степень измельчения пшеницы после подачи жидкости 110
4.4 Степень измельчения овса после подачи жидкости 112
4.5 Энергоемкость процесса измельчения-смешивания пшеницы 116
4.6 Энергоемкость процесса измельчения-смешивания овса 118
4.7 Оптимизация конструктивно-технологических параметров молотковой дробилки 119
4.8 Выводы по главе 123
5. Экономическая эффективность использования результатов исследования 124
Общие выводы 132
Литература 135
Приложения 146
Внедрение результатов 175
- Влияние состава комбикорма на продуктивность животных
- Обоснование расположения оси канала относительно вертикальной плоскости молотков
- Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья
- Исследование однородности смешивания жидкости в измельченной пшенице на выходе из дробилки
Введение к работе
В настоящее время перед агропромышленным комплексом России стоит задача интенсификации сельского хозяйства и особенно животноводства [81]. Поскольку, использование в рационах животных комбикормов, сбалансированных по всем элементам питания, позволяет получить прибавку продуктивности на 10-15% по сравнению с кормлением измельченными зерновыми кормосмесями, организация полнорационного кормления, в том числе и за счёт использования в рационах животных и птицы комбикормов, имеет большое значение для сельскохозяйственных предприятий всех форм собственности [32, 58, 98, 113, 116, 125].
На данный момент хозяйства практически полностью отказались от покупных комбикормов и стараются наладить их производство непосредственно на местах. Такая организация позволяет существенно снизить издержки на транспортировку сырья и готового продукта, а также рациональнее использовать местные ресурсы. Однако недостаток и несовершенство оборудования привели к тому, что более 60% потребляемого в хозяйствах кормового зерна дается животным в виде монокорма, что значительно снижает эффективность его использования [6, 41].
Ситуация в области приготовления комбинированных кормов состоит в том, что с одной стороны постоянно растут требования к качеству измельчения зернового фуража и однородности смешивания компонентов, снижению расхода энергии, металла, а с другой стороны, традиционные измельчающие и смешивающие устройства и научные знания в этих областях не могут обеспечить дальнейшее коренное совершенствование данных процессов.
Решение данной проблемы находится в плоскости развития в хозяйствах собственного комбикормового производства на основе высокоэффективных цехов и агрегатов производительность до 3 т/ч [82, 102].
Центральное место в производстве комбикормов занимает процесс измельчения исходного сырья, на который расходуется до 70-80% от всей энергии затрачиваемой на технологический процесс [24, 40, 85]. Благодаря измельчению значительно улучшается взаимодействие корма с пищеварительным трактом животных в процессе их поедания и перемешивания в процессе приготовления. Поэтому усвояемость комбикорма находится в прямой зависимости от крупности частиц входящих в его состав.
Балансирование комбикормов по аминокислотам, витаминам, минеральным веществам и другим компонентам - необходимое условие рационального использования зерна и других концентрированных кормов, применяемых в качестве сырья при производстве комбикормов [58, 119].
Повысить биологическую ценность комбикормов можно за счет введения в них различных биостимулирующих и других компонентов находящихся в сухом или жидком (растворенном) виде.
Особенно при вводе компонентов в небольших количествах возникает проблема равномерного их распределения во всем объеме комбикорма. В этом случае предпочтение отдается вводу компонентов в жидком виде.
В связи со сказанным, особую актуальность приобретают вопросы разработки устройств для получения комбикормов с заданным содержанием микро- и макрокомпонентов и равномерным их распределением по всему объему. Один из путей решения данной проблемы видится в организации процесса измельчения-смешивания с учетом ввода жидких компонентов.
Созданная молотковая дробилка с вертикальной осью вращения для ввода жидких компонентов в измельчаемый продукт способна давать продукт соответствующий зоотехническим требованиям даже при вводе небольшого количества жидкого компонента, за счет чего повышается биологическая ценность комбикормов.
Объект исследований: процесс смешивания жидких добавок и сыпучих зерновых компонентов.
Предмет исследований - факторы и закономерности, действующие в технической системе: смешиваемый продукт - молотковая дробилка.
Методы исследований. Решение поставленных научных задач реали-зовывались на основе теоретических методов: основных законов механики, гидродинамических законов распыления жидкостей, дифференциального исчисления, методов математической статистики и планирования эксперимента.
Научная новизна: состоит в создании математической модели, отражающей влияние на однородность смеси измельченного фуражного зерна и жидких компонентов при функционировании молотковой дробилки с дополнительными рабочими органами, параметров процесса и физико-механических свойств компонентов смеси. Найдены оптимальные параметры технологического процесса.
Практическая ценность. Разработана конструкция молотковой дробилки (Патент 2248846 С1 РФ В 02 С 13/16. Устройство для измельчения материалов с увлажнением / Земсков В.И., Желтунов М.Г., Садов В.В. № 2003131523; Заявл. 27.10.2003; Опубл. 27.03.2005; Бюл. №9). Разработанная дробилка для производства комбикормов из зерновых компонентов с добавлением жидких позволяет получать однородность смеси соответствующее требованиям ГОСТов и зоотехническим рекомендациям. Результаты исследований позволили определить конструктивно-технологические параметры молотковой дробилки, обеспечивающие снижение металло- и энергоемкости процесса приготовления комбикормов.
Реализация результатов исследований.
1.) Результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса по внесению жидких компонентов в комбикорма внедрены в учебный процесс АГАУ.
2.) Спроектирован, изготовлен и апробирован опытный образец молотковой дробилки производительностью 1,5 т/ч в ООО ИТЦ «Алтайвибромаш» (г. Барнаул).
Апробация. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях:
научно-практической конференции, посвященной 60-летию Алтайского государственного аграрного университета (Барнаул, 2003);
V и VI научно-практических конференциях молодых ученых «Молодежь-Барнаулу» (Барнаул 2003, 2004).
- международной научно-практической конференции «Вузовская
наука - сельскому хозяйству» (Барнаул 2005).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, общие выводы. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 15 таблиц, 4 приложения. Список использованной литературы включает 134 наименования.
Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Алтайского государственного технического университета им И.И. Ползунова в 2002-2005гг.
Влияние состава комбикорма на продуктивность животных
Комбикорм - сложная однородная смесь очищенных и измельченных до необходимой крупности различных кормов и микродобавок, вырабатываемых по научно-обоснованным рецептам и обеспечивающая полноценное сбалансированное кормление животных.
В зависимости от назначения различают полноценные комбикорма, комбикорма-концентраты, балансирующие кормовые добавки и заменители цельного молока.
Решение продовольственной проблемы в части производства продукции животноводства немыслимо без обеспечения сбалансированности рационов животных по белку, жирам и другим компонентам, улучшенного качества, рационального использования и сокращения потерь кормов. Полноценные комбикорма, сбалансированные по основным питательным веществам и обогащенные витаминами, микроэлементами и другими активными веществами оказываются на 25-30% эффективнее обычных зерновых кормов [11, 38, 95]. Питательная ценность комбикормов зависит не только от набора компонентов, но также от правильного соотношения между питательными веществами и от крупности частиц подлежащих скармливанию. Для приготовления комбикормов на фермах кроме зерна, все чаще используют отходы пищевой промышленности и технических производств: жмыхи, шроты, мясокостную и рыбную муку, жом, мелассу, жиры и другие [30, 133].
Особенно важно однородное смешивание при подготовке комбинированных кормов. Чаще всего обогащение зерновых смесей происходит при использовании БВД и обогатительных смесей, которые включают витамины, микроэлементы, синтетические аминокислоты, антибиотики, различные био-стимулирующие и лекарственные вещества. Эти вещества вводят в комбикорма в микроскопических дозах составляющих десятые, сотые и даже тысячные доли процента. Их необходимо так распределить в массе комбикорма, чтобы обеспечить однородность (гомогенность) смеси, при которой в каждой поедаемой порции были бы все компоненты, обеспечивающие индивидуальную потребность животных и птицы в веществах. Только в этом случае эффект от съеденного будет наибольшим.
Особенностью процесса приготовления высококачественных кормовых смесей является ввод строго определенного (дозированного) количества различных компонентов.
Большую роль в питание животных играют минеральные вещества и витамины [57, 58]. Отсутствие или недостаток их снижает эффективность всего рациона.
Обогащение комбикормов витаминами повышает привесы откармливаемых животных на 15-20% и резко снижает падеж молодняка. Жизненно необходимыми витаминами являются А, Вг, В , С, Д2, Е и др. Витамины подразделяются на жиро- (А, Д, Е, К) и водорастворимые (группы В,С и др).
В клетках живого организма микроэлементы содержатся от миллионных до тысячных долей процента. К ним относятся: железо, медь, цинк, фтор и др. Избыток или недостаток микроэлементов в растениях, а равно и в рационах сельскохозяйственных животных ведет к нарушениям обмена веществ и заболеваниям животных.
Одним из основных недостатков, ограничивающих развитие животноводства, является дефицит кормового белка, а для животных с однокамерным желудком (свиньи, птица), кроме того, весьма отрицательно сказывается несбалансированность растительных белков по аминокислотному составу.
Применение антибиотиков в кормах животных повышает привесы на 10-20% и снижает затраты корма на единицу привеса примерно на 5% [57]. Добавка антибиотиков в кормовые рационы в небольших дозах резко снижает падеж скота и предохраняет его от различных заболеваний. В комбикорма нежелательно вносить компоненты, которые могли бы тормозить влияние активных веществ или снижать усвоение питательных веществ.
К процессу приготовления комбикормов предъявляются жесткие требования как при их производстве на промышленных предприятиях, так и при приготовлении в хозяйствах, а это в свою очередь зависит от качества приготовления вносимых добавок.
Немаловажную роль в комбикормах играет степень измельчения материала. Опыты показали [60-63], что при скармливании свиньям целого зерна получали прирост на 20% ниже, чем при скармливании размолотого корма. В то же время и очень тонкий размол, до пылевидного состояния нежелателен.
Стандарт на комбикорма [56] определяет три степени размола: от 0,2 до 1 мм - мелкий размол, от 1 до 1,8 мм - средний размол и от 1,8 до 2,6 мм -крупный размол. Зоотехнические требования к подготовленному зерновому корму предусматривают размеры частиц: для крупного рогатого скота - не выше 3 мм, для свиней - до 1 мм, для птицы - до 2-3 мм при сухом кормлении и до 1 мм, если кормление производят влажными мешанками.
Точность дозирования растительных и животных жиров, мелассы не является главной проблемой, т.к. небольшое отклонение в содержании не может быть причиной негативного влияния на продуктивность животных [57, 58, 61, 62]. В противоположность к этому даже небольшая неточность в дозировке отдельных микродобавок, таких как ферменты, витамины и аминокислоты, может влиять на продуктивные качества.
Обоснование расположения оси канала относительно вертикальной плоскости молотков
Скаляр абсолютной скорости (рис. 2.1), при геометрическом сложении окружной щ и радиальной uj скоростей, указывает действительное направление движения жидкости в горизонтальной плоскости. За счет сопротивления воздуха и веса капель жидкости получается криволинейная траектория движения близкая к баллистической, которую для практических целей можно определить по формулам 2.1-2.3 [34]. Эта траектория соответствует движению равновеликого шарика той же плотности в неподвижном воздухе при начальной скорости, совпадающей по величине и направлению с окружной скоростью диска.
Начало координат помещено на кромке диска, ось X направлена по направлению суммарной скорости, ось Z- вниз (рис. 2.1)
Для этого воспользуемся экспериментальными и теоретическими данными, полученными В.Ф. Дунским и Н.В. Никитиным. При диаметре диска 14 см и п = 7200 об/мин ( = 377 с 1) получили скорость и = 52,7 м/с. При этой скорости разлет капель превысил размеры диска более чем в два раза, что видно из таблицы 2.1.
Как показывают опытные данные [34, 35, 70], что при увеличении уг-ловой скорости диска скорость щ изменяется сильнее скорости it], что приводит к уменьшению радиусов кольцевого следа разлета капель, также уменьшается и диаметр капель. Увеличение расхода жидкости приводит к возрастанию медианного диаметра капель. где п - частота вращения диска; d- диаметр капель; Rtl - измеренное значение радиуса кольцевого следа; Rp - вычисленное значение радиуса кольцевого следа.
Жидкость оказывает отрицательное воздействие при попадании на металлические части внутри смесителя (в частности на молотки), так как это приведет к коррозии, а главное, к налипанию на них сыпучего материала. Чтобы этого не происходило необходимо канал в диске расположить так, чтобы результирующая скорость жидкости при выходе из канала распылителя была направлена на измельченный материал, а точнее на край молотка, где происходит его соприкосновение с материалом. Этот вариант расположения канала является ограничивающим вариантом с одной стороны. Канал можно расположить и на большем угле, т.е повернуть его в противоположную сторону вращения ротора, что также скажется на точном попадании жидкости на сыпучий материал. Тогда в этом случае время от попадания жидкости на измельченный материал и до встречи его со следующим молотком будет меньше, чем в первом варианте. Это окажет только отрицательное влияние на процесс диффузии жидкости в материал в течение времени до соприкосновения со следующим молотком.
Направление жидкости в зону соприкосновения молотка с материалом дает еще одно преимущество перед другими вариантами попадания жидкости между соседними молотками. Так как дисковый распылитель и верхний слой молотков смесительной камеры установлены без промежутка, тогда после прохода молотка создается разрыхленный слой, куда попадает жидкость с учетом ее опускания (2.2) после выхода из канала. Это способствует лучшему проникновению жидкости в материал.
Во время работы на молоток действует сила сопротивления слоя направленная в противоположную сторону вращения ротора. За счет этого он будет отклоняться от радиального положения. Этот угол не значительный, и из-за больших инерционных сил молоток будет стремиться принять радиальное положение, которое мы и примем для дальнейших расчетов.
Программа экспериментальных исследований. Характеристика исходного сырья
Целью данных экспериментальных исследований является подтверждение теоретических положений, выдвинутых во 2 главе, обоснование конструктивно-технологических параметров объекта исследовании, а также выявление общих закономерностей рабочего процесса.
Все дальнейшие исследования будем проводить в определенной последовательности состоящей из нескольких этапов: первый этап - разработка программ и методики, повышающей эффективность экспериментальных исследований при минимальных затратах времени; выбор зависимых переменных, подлежащих исследованию и установка их значимости; второй этап - изготовление экспериментальной установки; подготовка измерительной аппаратуры; проведение экспериментальных исследований и математическая обработка полученных данных; сопоставление результатов эксперимента с теоретическими предпосылками; корректировка теоретических зависимостей; третий этап - обобщение результатов первых двух этапов; внедрение результатов исследований в конкретную модель установки, и в свою очередь в производство; определение ожидаемого экономического эффекта.
Большое внимание при разработке методик исследования уделялось физико-механическим свойствам сыпучих и жидких компонентов.
В опытах были использованы следующие виды зернового материала: фуражная пшеница и овес.
В качестве жидкого компонента использовалась меласса. Основные физико-механические характеристике данных видов зерна являются типичными для зернофуражного корма, поэтому они были приняты из литературных источников [61]. Влажность материала при проведении эксперимента определялась по методике, описанной в ГОСТ 13586.5-93 [46]. Перед экспериментами влажность материала была в интервале установленном нормами, т. е. 13-14%. Меласса при t = 20С имеет следующие характеристики [33]: вязкость ц = 5 Па-с, плотность/? = 1,37-10 кг/м , поверхностное натяжение а= 0,1 Н/м. Для определения плотности жидкости использовали ареометр стеклянный по ГОСТ 18481-89.
Основными культурами для приготовления комбикормов все же являются ячмень и пшеница. По прочностным характеристикам ячмень превосходит исследуемые культуры, однако по форме и геометрическим размерам он близко похож на овес. Выбор на исследование овса пал в основном по тому, что он имеет большой удельный вес оболочек зерна в общей массе материала, чем ячмень и при дроблении образуется больший разброс по степени измельчения (за счет трудности размола оболочек). Все это отрицательно сказывается на процессе смешивания влажного материала и продвижения его вниз.
Геометрические размеры зерна используемого в исследованиях определились согласно принятой методике [48], через эквивалентный диаметр. Средний объём определили путем погружения в мерный цилиндр, наполненный бензином, порции зёрен из 1000 штук. По среднему объёму ный бензином, порции зёрен из 1000 штук. По среднему объёму зерна можно определить его эквивалентный диаметр [48]: При разработке экспериментальной установки по определению качества смешивания сыпучих и жидких компонентов к ней предъявлялись следующие требования: -простота конструкции, возможность быстрой разборки и сборки основных узлов, несложный доступ к элементам рабочего органа смесителя; -возможность регулирования конструктивных и кинематических параметров в необходимых пределах; -устойчивость режимов работы и стабильность параметров, влияющих на процесс смешивания.
Экспериментальная установка (рис 3.1, 3.3) состоит из двух основных частей: многокомпонентного вибрационного дозатора 1 и молотковой дробилки 6, которая смонтирована на раме 9. Для жидкости имеется бак 2, из которого она подается через ротаметр 3 в камеру смешивания. Для прекращения подачи жидкости имеются краны 5.
Молотковая дробилка (рис. 3.2) состоит из цилиндрического корпуса 6 с загрузочной воронкой 2 закрепленной на крышке 3 и выгрузным окном 11. Внутри камеры измельчения по внутренней поверхности закреплена дека 7. В камере смешивания (от дискового распылителя до выгрузного патрубка) внутренняя поверхность 16 выполнена гладкой.
Исследование однородности смешивания жидкости в измельченной пшенице на выходе из дробилки
Как уже было сказано выше, все опыты были проведены на пшенице и овсе в пятикратной повторности. Результаты экспериментов по определению влияния факторов варьирования на однородность смешивания при работе измельчителя-смесителя на пшенице приведены в приложении 2.
После математической обработки результатов эксперимента, проведенной на ПК с помощью прикладной программы Statistica в среде Windows 98 [10] были получены коэффициенты уравнения регрессии. При сравнении полученных коэффициентов с рассчитанным критическими Ькр, незначимыми оказались Ъ\; Ъ\з , Ь23 , которые были)
Введя исключены из модели. В итоге уравнение регрессии в кодированных переменных имеет вид: Yn1 = 95,66228 + 0,095403Х2-0,695313Х3+ 0,203848Х,Х2 - 0,355897 X, X, - 0,004671 Х2Х2 - 0,389337 Х3 Х3 (4.1истинные значения факторов Хь Х2, Х3 можно кодированные значения переменных перевести в истинные. Раскодирование переменных приводит к следующему выражению СП = 95,66228 + 0,095403-Т- 0,695313-Q+ 0,203848-р-Т -0,355897-p2-0,0046712-0,389337-Q2 (4.2) Проверка однородности дисперсий в параллельных опытах представлена в приложении 2. Проверка на адекватность регрессионной модели (4.1) по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости показала, что FpaC4 = 4,50 Ртабл = 4,88. Следовательно, модель адекватно описывает экспериментальные данные.
Анализируя представленную модель, можно сделать следующие выводы:
1). Наибольшее влияние на однородность распределения жидкости в сыпучем материале влияют факторы Х2(Т); Хз((), а фактор Xj(p) не влияет. Эти выводы можно сделать на основе значений коэффициентов при факторах в уравнении регрессии.
2). Положительное значение коэффициента показывает, что между параметром оптимизации и факторами при этих коэффициентах существует прямая зависимость, в данном случае это Х2(Т). Коэффициенты, имеющие отрицательные значения указывают на их обратную связь с параметром оптимизации, параметр Хз(С ). Это означает, что с увеличением одного из этих факторов ведет к уменьшению параметра оптимизации и наоборот.
Так как оказывают влияние только два фактора, то по уравнению (4.1) возможно построение только одного сечения поверхности отклика (рис. 4.1).
Рассмотрим зависимость качества смешивания от изменения факторов Х2 и Хз. При фиксировании фактора Хі на нулевом значении (Хі=0), уравнение регрессии автоматически пересчитывается и будет иметь вид: Сп = 95,377+0,0492Х2 - 0,677Х3- 0,0040Х22- 0,093Х2Х3- 0,476Х32 (4.3)
Из графической зависимости видно, что максимальная однородность достигается при увеличении фактора Х2(Т) и уменьшении X3(Q). Связано это с тем, что чем больше жидкости (т.е. фактор Х2) вносим на определенную часть материала (Х3), тем ее легче распределить во всем объеме. Такой же смысл получается при уменьшении фактора Хз, при этом чтобы значение Х2 оставалось постоянным.
Из рис. 4.1 видно, что даже при минимальном значении фактора Х2 (т.е. 10 кг) и максимальном значение Х3 (1340 кг), коэффициент вариации v соответствует ГОСТу [56] по приготовлению комбикормов, т.е v 10%. Это говорит о высоком качестве распыления жидкости при применении дисковых распылителей даже при внесении небольшого количества жидких, а главное вязких компонентов. (Q)
Расчет критических коэффициентов уравнения, проверка однородности дисперсий в опытах, проверка уравнения регрессии (4.5) на адекватность и графические зависимости представлены в приложении 2.
При сравнении полученных коэффициентов с критическими Ькр, незначимыми оказались Ь; Ъ\}; Ь2з- В итоге уравнение регрессии в кодированном виде имеет вид: Y(,,= 95,16711+0,076728X2-0,709775X3-0,253853 X, Х2 - 0,353644 X, X, - 0,006742 Х2 Х2 - 0,577688 Х3 Х3 (4.4)
Введя истинные значения факторов Х, Х2, Хз и после раскодирования переменных уравнение примет вид: С,„ = 95,16711+0,076728-Т - 0,709775-Q - 0,253853-р-Т
