Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачей исследований 7
1.1. Зоотехническая оценка минеральных добавок в рационах сельскохозяйственных животных . 7
1.2 Анализ средств механизации процессов дозирования 11
1.3. Анализ исследований процессов дозирования вязко-пластичных материалов . 23
Выводы, цель и задачи исследований . 27
2. Теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы и основных параметров дозатора 30
2.1. Обоснование соотношения шага навивки и диаметра дозирующего шнека . 30
2.2. Анализ отводящей способности побудителя . 35
2.3. Обоснование мощности на привод побудителя. 38
2.4. Обоснование рациональной схемы привода побудителя . . 44
2.5. Обоснование результирующего показателя качества дозирования компонентов кормов 50
Выводы . 52
3. Программа и методики экспериментальных исследований 54
3.1. Программа работ . 54
3.2. Описание экспериментальной установки 54
3.3. Методики экспериментальных исследований . 57
3.3.1 Методика проведения поисковых опытов . 59
3.3.2 Методика исследования неравномерности выдачи доз 64
3.3.3 Методика исследований энергоемкости процесса 66
3.3.4 Методика исследований полноты очистки бункера 67
Выводы. 69
4. Результаты и анализ эксперементальных исследований 70
4.1. Результаты и анализ поисковых опытов . 70
4.2. Результаты исследований и анализ закономерностей изменения показателей потребляемой мощности и качества дозирования . 80
4.3. Результаты и анализ интервальной оценки показателя качества дозирования . 91
4.4. Результаты исследований и анализ экспериментальных данных чистоты очистки бункера . 92
Выводы . 94
5. Результаты производственных испытаний и экономический эффект внедрения дозатора минеральных добавок 98
5.1. Результаты производственных испытаний . 98
5.2 Экономическая эффективность . 99
5.2.1. Определение годового экономического эффекта . 99
5.2.2. Дополнительный экономический эффект 103
Выводы .104
Общие выводы 106
Список использованных источников . 108
Приложения 117
- Зоотехническая оценка минеральных добавок в рационах сельскохозяйственных животных
- Обоснование рациональной схемы привода побудителя
- Результаты исследований и анализ закономерностей изменения показателей потребляемой мощности и качества дозирования
- Определение годового экономического эффекта
Введение к работе
Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных возможно в первую очередь за счет улучшения кормовой базы. На животноводческих комплексах и фермах условия содержания животных далеки от природных и потребность в питательных веществах, особенно в витаминах, микро- и макроэлементах, повышается на 15...20 %. Поэтому возникает необходимость подготавливать к скармливанию такие корма, которые содержали бы все вещества необходимые не только для поддержания жизни животных, но и роста их продуктивности.
Способом повышения эффективности использования питательных веществ животными, является применение полнорационных кормосмесеи, одним из важнейших компонентов которых являются минеральные добавки.
Основной задачей механизации приготовления кормосмесеи является соблюдение рекомендуемых рецептов, которое обеспечивается точным дозированием компонентов.
При проведении в стране экономических реформ разрушились привычные
производственные связи, хозяйства утратили возможность получать
сбалансированные по питательным веществам корма от комбикормовых заводов.
Это обусловило повышенный интерес сельскохозяйственных
товаропроизводителей к производству полнорационных кормосмесеи своими силами. Однако существующие дозирующие устройства не всегда работоспособны в расширенном диапазоне норм дозирования при значительном изменении физико-механических свойств материала.
Поэтому возникает необходимость в создании дозирующих устройств, способных работать в широком диапазоне изменения норм выдачи и физико-механических свойств компонентов смеси, а также отличающиеся простотой конструкции, высокой технологической надежностью, простотой настройки на заданную дозу и относительно невысокой стоимостью. Наиболее приемлемыми, в
этом случае, будут шнековые дозирующие устройства с пристенным расположением побудителя.
Существующие теоретические и экспериментальные исследования не в полной мере приемлемы к обоснованию режимов работы и параметров разрабатываемых вновь устройств.
Поэтому решение научных задач, по обоснованию конструктивных и режимных параметров дозаторов минеральных добавок, отвечающим современным требованиям, имеет существенные актуальность и новизну.
Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ВИИТиН по проблемам механизации, электрификации, автоматизации сельскохозяйственного производства и технического сервиса АПК.
Целью настоящей работы является улучшение качественных и технико-экономических показателей работы пшековых дозирующих устройств с пристенным расположением побудителя при работе на слеживающихся минеральных добавках.
Объект исследований - процесс работы шнекового дозатора с пристенным расположением побудителя.
На защиту выносятся: обоснование конструктивно-технологической схемы дозатора вязко-пластичных сред; теоретический анализ отводящей способности и потребляемой мощности побудителя возвратно-вращательного действия с асимметричным профилем поперечного сечения рычагов; уточненное обоснование соотношения шага навивки и диаметра шнека из условия его гарантированной работоспособности на вязко-пластичных средах; математические модели оценки процесса дозирования минеральных добавок по критериям энергоемкости и качества, полученные методами теории планирования эксперимента; обоснование результирующей неравномерности дозирования с использованием методов статистического моделирования.
LINK1 Зоотехническая оценка минеральных добавок в рационах сельскохозяйственных животных LINK1 Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных возможно в первую очередь за счет улучшения кормовой базы. На животноводческих комплексах и фермах условия содержания животных далеки от природных и потребность в питательных веществах, особенно в витаминах, микро- и макроэлементах, повышается на 15.,.20 %. Поэтому возникает необходимость подготавливать к скармливанию такие корма, которые содержали бы все вещества необходимые не только для поддержания жизни животных, но и роста их продуктивности.
Одним из способов повышения эффективности использования питательных веществ животными, является применение полнорационных кормосмесей, предполагающее балансирование рационов по 20...24 показателям [1-5, 7...9, 11, 25, 26, 28, 35...37]. Балансирование рационов по широкому комплексу витаминов, минеральных веществ, микроэлементов и незаменимых аминокислот влияет на усвоение животными энергии и протеина, на поедаемость и, в конечном счете, на эффективность использования кормов [29].
Опыт передовых колхозов и совхозов и стран с развитым животноводством показал [2...5, 10, 21, 25, 26, 34], что продуктивность животных и птицы возрастает при увеличении в рационах концентрированных кормов. На промышленных комплексах по производству свинины и продуктов птицеводства данные виды кормов составляют 80...95 % рациона [7, 22, 28, 34, 39]. Однако, как показала практика [11, 22, 25, 26, 28, 34, 37, 38], использование зерновых кормов в естественном виде неэффективно, так как кормовые рационы должны быть сбалансированы по содержанию белков, углеводов, витаминов, микроэлементов, минеральных и других веществ стимулирующих развитие и продуктивность животных. Такой состав питательных веществ содержится в комбикормах. Одним из важнейших компонентов рационов сельскохозяйственных животных являются минеральные вещества. О необходимости введения их, в качестве добавок, в рационы сельскохозяйственных животных указывается во многих литературных источниках [1...34, 39, 40...43], поскольку содержание их в кормах растительного происхождения на порядок ниже потребности организма.
Минеральный состав кормов подвержен значительным колебаниям и зависит от многих факторов (почвы, вида растений, климатических условий и т.д.). Нередко наблюдается недостаток одних и избыток других, что может привести к заболеванию животных, снижению продуктивности, ухудшению качества продукции и эффективности использования питательных веществ [35...37].
В ряде работ [1...5, 12...14, 17...20, 24...27, 30...33, 35...37, 39] опубликованы результаты исследований о влиянии минеральных подкормок на продуктивность животных. В них отмечается, что главной задачей при составлении рецептов кормовых смесей является поддержание минерального баланса в организме животного.
Потребность животных в минеральных веществах складывается из потребности на поддержание жизни, прирост массы тела, рост и развитие плода, образование молока и уровня абсорбции элементов из кормов. Одним из основных факторов в минеральном питании является способность организмом животного усваивать те или иные вещества. На усвояемость минеральных веществ влияет вид, возраст и продуктивность животного, физиологическое состояние его организма, тип кормления и способ содержания. Помимо этого на усвояемость одних элементов оказывает влияние концентрация в составе корма других веществ. К основным видам минеральных веществ относятся кальций, фосфор, магний, натрий, калий, хлор и сера.
Кальций в организме животных, участвует в пищеварительном и ряде ферментных процессов, около 96..,99 % кальция содержится в скелете животного. Нехватка кальция в организме покрывается за счет его внутренних резервов, так называемых минеральных депо [32, 35, 37]. При длительной недостаче данного элемента чрезмерный расход его из основных депо приводит к возникновению различных заболеваний. В этом случае наблюдается осемаляция, размягчение костей у взрослых животных, рахит и слабый рост у молодняка [32,35,37].
По результатам исследований [32] усвояемость кальция у молочных коров составляет, в среднем 35...45 %. У телят при молочном типе кормления достигает 90...95 %. Включение в рацион молодняка растительных кормов резко снижает усвояемость элемента в организме. Содержание кальция в рационе должно составлять 0,3...0,9 % от сухого вещества [22, 32]. Это определяется возрастом животных, физиологическим состоянием и уровнем продуктивности. По данным автора работы [39] потребность кальция в рационах свиней колеблется от 0,6 до 0,8 % от общей массы корма в зависимости от живой массы животных.
Фосфор является одним из основных компонентов составляемых кормосмесей, участвует в пищеварительном и ряде ферментных процессов. До 80 % фосфора содержится в скелете животных. Эффективность использования фосфора в организме зависит от обеспечения витамином Д и уровнем содержания кальция [35...37]. При избытке последнего в рационе снижается усвояемость и ретенция фосфора в организме животного. В практике кормления более часто встречается дефицит фосфора, чем кальция (особенно при низком уровне зерновых концентратов), что может привести к снижению эффективности использования корма, функции воспроизводства, прочности костной ткани, резистентности к заболеваниям [17, 32, 35...37]. Избыточное поступление фосфора в организм крупного рогатого скота (КРС) может наблюдаться при высококонцентратном типе кормления и отрицательно сказывается на усвоении азота, кальция, магния и железа. Это может вызвать гипокальцемию, рахит, способствовать образованию мочевых камней и т.д. [17, 32, 35...37]. Необходимое количество фосфора в рационах свиней составляет 0,5...0,7 % от массы корма и зависит от живой массы животного. Магний является структурным компонентом костной ткани и играет немаловажную роль в процессе ее минерализации. Около 70 % магния от общего содержания приходится на долю скелета. По данным исследований [32], усвоение магния из кормов молочных коров колеблется от 10 до 40 %. Содержание магния в молоке от 0,08 до 0,17 г на один литр. Использование магния на образование молока при удое 20...25 кг составляет около 10 % от потребляемого и 35...40 % от усвоенного. Избыток кальция и небелкового азота приводит к отрицательному балансу магния даже при повышенном содержании его в рационах КРС. Потребность молодняка в магнии составляет 2...15 г на голову в сутки [22, 32]. При выращивании свиней, по данным автора работы [39], обнаружено, что добавки магния препятствуют возникновению и снижают остроту паракератозных кожных поражений.
Обоснование рациональной схемы привода побудителя
Одной из практически значимых задач являлось обоснование привода рабочего органа и побудителя от одного двигателя при сохранении заданных диапазонов и интервалов дозирования. Задача состояла в передаче движения в две взаимно перпендикулярные плоскости.
Анализ подобных механизмов позволил установить возможные варианты: передача движения через вал с перекрестной винтовой канавкой; кулачковый механизм одностороннего действия с пружинным возвратом; шайбовый кулачек с внутренним расположением толкателя; фронтальный кулачек в виде одной эллиптической канавки; кривошипно-шатунный механизм.
Первые два варианта исключены (как непригодные) из-за ограниченных возможностей силовой передачи движения.
Третий и четвертый варианты наиболее выгодны с точки зрения компактности привода. Их анализ состоял в определении величины разрушающих усилий и возможности сохранения замкнутости кинематической цепи привода в процессе работы. Причем сравнение этих вариантов с последним, в сущности, сводится к рассмотрению величин усилий двух кулачковых механизмов: с внутренним расположением роликового толкателя и внешним. Работа кулачкового механизма с внешним расположением ролика по характеру возникающих усилий и их величине идентична работе кривошипно-шатунного механизма. Анализируя выражения (2.44) и (2.46), а также результаты расчетов, можно сделать следующие выводы: - внешнее расположение ролика толкателя относительно кулачка обладает существенными преимуществами в сравнении с внутренним с точки зрения величины боковых разрушающих усилий; - с ростом величины эксцентриситета величина разрушающих усилий возрастает в обоих случаях. Следует отметить, что при внутреннем расположении ролика толкателя, когда, например, R = 60; г = 30 и е = 30, механизм неработоспособен, так как угол трения должен быть не более 8 (коэффициент трения не более 0,01). В практике эксплуатации достичь такого "легкого" качения невозможно. Тем более усложнен характер нагрузки боковыми усилиями, да и подшипники с такими характеристиками недоступны. Очевидно, что реальные условия эксплуатации усложнят или сделают невозможным применение такого механизма и при других соотношениях его параметров, С целью количественной оценки преимуществ внешнего расположения ролика, выраженной коэффициентом П, проведем следующие преобразования: Из уравнения (2.48) видно, что если к- \, то Я - со. Из выше приведенного анализа, видно, что уже при 1 = 0,5 и е = 0,5# механизмы становятся неработоспособными, а величина П при этом будет равна 1-0,5 То есть, у механизма с внешним роликовым толкателем боковое (разрушающее) усилие в 3 раза меньше и отсутствует риск потери работоспособности. Во всех рассмотренных случаях выигрыш составляет 2,2...3,9 раза (см. рис. 2.8).
Общий вид привода дозатора. К тому же, необходимость передачи толкателю знакопеременных усилий, когда дополнительно к внутреннему ролику следует устанавливать смежный на внешней стороне кольцевого кулачка, механизм становится кинематически разомкнутым и вызывает разрыв процесса, осуществляемого приводимыми рабочими органами.
Из анализа следует, что наиболее приемлемым вариантом является кривошипно-шатунный механизм со сферическим подшипником в основании шатуна и вилкой в головке. Общий вид привода дозатора.
Результаты исследований и анализ закономерностей изменения показателей потребляемой мощности и качества дозирования
Проведение поисковых опытов позволило установить границы варьирования факторов, значения. Уровни и интервалы варьирования факторов Кодовое обозн. Наименование Факторов Уровни факторов Интервал осн. 0 min -1 max+1 х, х2Х3 Влажность, % Скорость вращения, с"1 Толщина планки, м 6 1,22 0,01 2 0,38 0,005 102,060,015 41,220,005 В таблицах 4.6 и 4.7 представлены матрица планирования и результаты опытов, проведенных в соответствии с описанными ранее методиками. В общем виде математические модели, характеризующие влияние факторов на критерии оптимизации, могут быть представлены полиномами второй степени: Для вычисления коэффициентов регрессии была составлена программа для ПЭВМ. Алгоритм решения представлен в работе [85], поэтому далее приведены только основные формулы.
Результаты расчетов доверительных интервалов представлены в таблице 4.10. Из сравнения данных таблиц 4.9 и 4.10, видно, что некоторые коэффициенты меньше доверительных интервалов. Поэтому их можно признать статистически незначимыми и исключить из уравнения регрессии. Для уравнения описывающего потребляемую мощность, незначимыми оказались коэффициенты — Ъ3, Ъ13, Ъ23 и Ь33, а для уравнения неравномерности — Ь3, bJ2, b}3, b23 и b33. После соответствующих преобразований уравнения регрессии примут вид. Ракушечник: При исключении из уравнения коэффициентов при квадратичном члене, все остальные пересчитываем с использованием метода наименьших квадратов. После пересчета уравнения примут вид. Ракушечник: Адекватность полученных моделей проверяем по критерию Фишера. Дисперсия адекватности определялась по формуле: где: у—расчетное значение параметра; к — число коэффициентов аппроксимирующего полинома. Расчетное значение критерия Фишера Fp вычисляли по формуле: где: Fm — табличное значение критерия, Fm=19.3 [87]. Если условие (4.13) выполняется, то полученная модель адекватна при пяти процентном уровне значимости. Расчетные значения дисперсии адекватности и критерия Фишера Материал Параметр оптимизации Z(y-yf Т(У-У? k 4 2 FP4,5 12,9 Ракушечник 639,253 0Д 38,000 0,00187 65 85,89 0,012 Известняк Yv 2315,894 0,109 152,667 0,00207 65 309,03 0,013 4,1 12,6 Мел YNYv 1685,615 0,092 28,667 0,00140 65 236,71 0,011 16,5 16,1
Широко распространен метод нахождения условного компромиссного минимума с помощью совмещения двумерных сечений исследуемых критериев оптимизации. В нашем случае использование такого подхода будет некорректным потому, что последние не равнозначны. Например, в стоимостном выражении. После перевода факторов, входящих в уравнения в натуральные единицы измерения, полученные уравнения могут быть использованы в инженерных расчетах. Перевод от кодированных значений к натуральным осуществляется по формулам: Для последующего анализа полученных результатов, наиболее наглядной и удобной является графическая информация. Поэтому были построены поверхности отклика Yv и YN методом двумерных сечений. Для этого уравнения (4.9...4.11) приводили к каноническому виду. На первом этапе канонического преобразования переносим начало координат в центр фигуры. Координаты центра фигуры определяем, дифференцируя эти уравнения по х} и х2. Приравнивая частные производные к нулю и решая систему уравнений, получим координаты центра. Подставляя их в уравнения (4.9...4.11) получим значения Vs параметра оптимизации в новом начале координат. Решая уравнение (4.16), находим коэффициенты канонического уравнения Ви и В22. Данные расчетов сводим в таблицу 4.12. Таблица 4.12 Расчетные данные перевода уравнения регрессии в канонический вид
Уравнения (4.17...4.19) — канонические уравнения эллипса. Подставляя в полученные уравнения значения YN и Fw строим поверхности отклика.
Анализ двумерных сечений (рис. 4.11 а, 4.12 а и 4.13 а) показал, что минимальное значение критерия мощности находится в пределах 658...700 Вт для ракушечника, 673...700 Вт для известняка и 663...700 Вт для мела. Смещение центра сечений в левый нижний угол показывает, что оптимальное значения критерия стремится к минимуму при снижении числа оборотов шнека и
Двумерные сечения поверхности отклика характеризующие показатели мощности и неравномерности (а и б — соответственно) при дозировании мела. влажности материала. Так для ракушечника минимум мощности наблюдается при UF=0,43 с"1 и W=4,A %, у=0,49 с"1 и W=5,l % для известняка и OJ=0,4& с"1 и W—4,6 % для мела.
Анализ двумерных сечений (рис. 4.11 б, 4.12 б и 4.13 б) показал, что значение критерия неравномерности, попадающее в план эксперимента, находится в пределах 1,25...2,3 % для ракушечника, 1,29...2,45 % для известняка и 1,7...3 % для мела. Эти данные вполне удовлетворяют зоотехническим требованиям, предъявляемым к объемным дозирующим устройствам. Смещение центра сечений в правый нижний угол показывает, что оптимальное значение критерия стремится к минимуму при увеличении числа оборотов шнека и снижению влажности материала. Так, для ракушечника минимум неравномерности находится при =2,03 с"1 и Й =2,63 %, ЙР=2,04 с и =2,08 % — для известняка и йМ,91 с"1 и W=3,25 % — для мела.
По нахождению центров сечений в плане эксперимента можно судить о правильности выбранных уровней и интервалов изменения факторов.
Определение годового экономического эффекта
Оценка экономической эффективности применения средств дозирования проводилась по методикам представленным в работах [102, 103].
Эффективность нового дозатора может быть определена только путем его сравнения с применяемым в производстве устройством. За базовый вариант был принят шнековый дозатор [58]. Сравнение с серийно выпускаемыми дозаторами минеральных добавок, типа ДТ или МТД, не корректно, так как эти устройства становятся неработоспособными при влажности материала превышающей нормы предусмотренные ГОСТами или ТУ.
Обобщающим показателем эффективности использования капитальных вложений являются приведенные затраты, определяемые по формуле: где: К[ - коэффициент учитывающий транспортные и монтажные работы, равный 1,26; С - стоимость дозатора, руб. Стоимость изделий в настоящее время может значительно различаться, в зависимости от ряда факторов (накладные расходы, цена приобретения комплектующих и т.д.). Поэтому в определении экономической эффективности предлагаемого дозатора была принята расчетная стоимость базового и предлагаемого варианта при изготовлении его в одних и тех же условиях. Тогда стоимость устройства можно определить по формуле:
Исходные данные расчета годового экономического эффекта Показатели Ед, изм. Базовый Предлагаемый вариант вариант Стоимость дозатора руб. 7036 5080 Норма отчислений на техническое % 0,18 0,18 Обслуживание и ремонт Амортизационные отчисления % 0,167 ОД 67 Стоимость электроэнергии руб./кВтч 0,80 0,80 Количество рабочих дней в году дней 365 365 Время смены ч 4 4 Время на ТО ч 1,2 0,48 Мощность электродвигателей кВт 3,0 2,2 Обслуживающий персонал чел. 1 1 Часовая тарифная ставка оператора руб./ч 1,19 1,19 по 5-му разряду Результаты расчета экономической эффективности по приведенным затратам представлены в таблице 5.4. Таблица 5 А Экономическая эффективность Показатели Ед.изм. Базовый вариант Предлагаемый вариант Капитальные вложенияЭксплуатационные расходы:АмортизацияРемонт и техническое обслуживаниеСтоимость электроэнергии Заработная плата Приведенные затраты руб.руб. руб.руб. руб.руб. 8865,40 8838,91 1480,521595,773504,00 2258,62 10168,72 6400,80 6736,56 1068,93 1152,142569,60 1945,89 7696,68 Годовой экономический эффект руб. 2472,04 Дополнительный экономический эффект Доказано, что если не представляется возможным выдавать животному определенное количество корма (q), соответствующее зоотехнической норме (qH), то более целесообразно завышать (q) чем занижать [104]. Однако при такой настройке образуется непроизводительный перерасход компонентов корма, что приводит к повышению себестоимости продукции. Использование дозаторов обладающих меньшей неравномерностью выдачи позволяет снизить непроизводительный расход компонентов. За счет этого можно получить дополнительный экономический эффект, который может многократно превышать экономию по приведенным затратам.
При сравнении базового и предлагаемого вариантов, в результате производственных испытаний установлено, что у последнего неравномерность выдачи минеральных добавок снижена на 12 %.
Рассчитать дополнительный эффект весьма трудно, так как по мимо прямой экономии компонентов корма, количественное их содержание в смеси влияет на продуктивность животных. Состав поголовья на фермах обуславливает применение различных рецептов кормосмесей. К тому же численность животных определяет выбор режимов работы устройства. По этому дополнительный экономический эффект рассчитывался для одного компонента корма (мела), а снижение потерь определялось на единицу времени работы дозатора.
Увеличение производительности дозатора приводит к снижению неравномерности, а уменьшение производительности - наоборот. Для определения экономического эффекта была выбрана средняя производительность дозатора.
1. Определение стоимости устройства целесообразно проводить расчетным путем, в связи со сложившейся экономической ситуацией в стране. Поэтому стоимость изделий следует принимать при изготовления их в одинаковых условиях предприятия-изготовителя. Полученный в этом случае эффект, будет более реально отражать экономическую целесообразность применения (внедрения) нового технического решения.
2. Годовой экономический эффект по приведенным затратам от сравнения базового и предлагаемого вариантов, за счет снижения капитальных вложений и эксплуатационных затрат составил 2472,04 рубля.
3. Дополнительный экономический эффект полученный за счет повышения качества процесса дозирования, только для одного компонента смеси составил 18702,6 рубля за год.
4. Из сравнения полученных результатов видно, что с экономической точки зрения наиболее перспективным направлением при разработке средств механизации кормопроизводства является улучшение качественных показателей процесса, чем снижение эксплуатационных затрат.
