Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ
КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ И ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ. 9
1.1. Производство и эффективность использования многокомпонентных гранулированных кормовых смесей. 9
1.2. Зоотехнические требования к гранулированным кормам 15
1.3. Основные этапы технологического процесса гранулирования комбикормов 19
1.4. Анализ методов оптимизации механизированных технологических процессов сельскохозяйственного производства 31
1.5. Задачи исследования '. 45
2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ 47
2.1. Системный подход к исследованию процесса гранулирования и выбор критериев его оптимальности . ... 47
2.2. Теоретическое обоснование влияния матрицы плана эксперимента на точность математического описания процесса 62
2.3. Экспериментальное исследование влияния плана на точность моделирования 71
2.4. Разработка методики получения математической модели технологического процесса гранулирования. 80
3. ОПТИМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ 88
3.1. Обоснование выбора метода оптимизации основных параметров процесса гранулировани 88
3.2. Разработка алгоритма оптимизации математической модели процесса с использованием метода штрафных функций 103
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ 111
4.1. Исследование влияния плана эксперимента на точность оптимизации процесса кондиционирования комбикормов в производственных условиях 114
4.2. Оптимизация процесса прессования комбикормов в производственных условиях 127
4.3. Оптимизация технологических и конструктивно-кинематических параметров механического кондиционера готовых гранул 138
5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВ 150
5.1. Внедрение результатов работы 150
5.2. Оценка экономической эффективности применения разработанной методики оптимизации 151
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 160
ЛИТЕРАТУРА 163
ПРИЛОЖЕНИЯ 177
- Производство и эффективность использования многокомпонентных гранулированных кормовых смесей.
- Системный подход к исследованию процесса гранулирования и выбор критериев его оптимальности .
- Обоснование выбора метода оптимизации основных параметров процесса гранулировани
- Исследование влияния плана эксперимента на точность оптимизации процесса кондиционирования комбикормов в производственных условиях
- Внедрение результатов работы
Введение к работе
Задачи, поставленные ХКУІ съездом КПСС ( I ) в области удовлетворения потребностей советских людей в продуктах питания, конкретизированы в Продовольственной программе ( 2 ), принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС. Программой предусмотрено довести в XI пятилетке среднегодовое производство мяса до 17...17,5 млн.тонн, молока - 97...99 млн.т., яиц - 72 млрд. штук. В ХП пятилетке, соответственно, до 20...20,5 млн.тонн мяса, 104...106 млн.тонн молока, 78...79 млрд.штук яиц. Основным направлением реализации этих планов является перевод производства сельскохозяйственной продукции на промышленную основу, что в первую очередь предполагает наличие прочной кормовой базы, широкое внедрение комплексной механизации и автоматизации производства.
Пленум указал на необходимость усиления роли науки в реализации Продовольственной программы. В частности, было отмечено о необходимости разработки и внедрении новых технологий производства высококачественных кормов, позволяющих сохранить до 90% питательных веществ.
Одной из прогрессивных технологий заготовки кормов является производство гранул и брикетов из различных кормосмесеи. Именно такой вид корма позволяет сбалансировать его по компонентам, улучшить качество и сократить потери. Поэтому в постановлении ЦК КПСС ( 3 ) отмечалась необходимость довести к 1985 году производство брикетированных и гранулированных кормосмесеи до 14,24 млн.тонн.
Преимущества гранулированных и брикетированных кормов заключается в высокой эффективности их применения при откорме животных, благодаря возможности сохранения питательной, белковой и витаминной ценности исходной кормовой смеси, а также за счёт широкой механизации и автоматизации производственных процессов на всех этапах от приготовления корма до его раздачи.
В настоящее время отечественная промышленность освоила серийный выпуск и внедрила различные комплекты оборудования для производства кормосмесей в прессованном виде. Это 0Ш-0,8А, ОШ-1,5, ОГК-3, ОПК-2, ДТ-І, ПБС-3,5 и т.д. На их базе созданы типовые проекты цехов гранулирования и брикетирования кормов.
Однако, конструктивные схемы существующего оборудования и применяемые технологические приемы не всегда определены исходя из научно-обоснованных критериев оптимальности процесса. Научные исследования в этой области чаще всего направлялись на поиск условий получения максимального массового выхода продукции или минимальной удельной энергоемкости процесса. Между тем, в последние годы зоотехнической наукой выдвигается требование о необходимости производства кормовых гранул и брикетов, отвечающих физиологическим запросам животных не только по их питательности, но и по физико-механическим свойствам таким как плотность, прочность, крошимость и ряда других. Очевидно, основной предпосылкой дальнейшего развития, совершенствования технологии и оборудования для производства прессованных кормов должно стать стремление получать гранулы и брикеты с определенными физико-механическими свойствами, обеспечивающими получение максимального выхода продукции животных при минимальных энергозатратах на их производство.
В разработку теории проектирования, исследования и расчета параметров оборудования для гранулирования и брикетирования комбикормов значительный вклад внесли такие советские учёные, как В..Алешкин, Г.К.Васильев, А.Ю.Вашкявичус, И.А.Долгов, Н.Ф.Игнатьевский, В.Н.Кажуков, С.Е.Маркарян, С.В.Мельников, В.А.Мурованный, В.Ф.Некрашевич, С.М.Немтинов, Д.И.Николаев, -В.И.Особов, Ю.В.Подкользин, П.М.Рощин, А.Я.Соколов, В.В.Шевцов, 'С.В.Челышев и др. Вопросам оптимального проектирования оборудования и технологии производства прессованных кормов большое внимание уделяют и зарубежные фирмы: "гГОГПІІІ. ", "RusseUe " (Франция); "Fortschritt " (ЩО; " Simon- Barron (Англия); "Bllhler" (Швейцария) ;"Buhler-Miag" (ФРГ).
Однако в известных работах применяются недостаточно эффективные методы экспериментальных исследований, моделирования и оптимизации. Наиболее широко применяемые эмпирические методы однофакторного эксперимента, методы оптимизации, типа "перебора вариантов" или линейного программирования не позволяют выявить совокупного влияния значительного числа исследуемых факторов на выбранный критерий эффективности работы оборудования гранулирования кормов и оптимизировать технологический процесс в целом. В тоже время использование последних достижений теории системного анализа процессов, теории планирования эксперимента, методов нелинейного программирования и применение ЭВМ даёт возможность решить задачу оптимизации конструктивных и технологических параметров оборудования гранулирования на более высоком качественном уровне.
В связи с этим, поставленная в данной работе цель - разработать научно-обоснованную методику оптимизации технологического оборудования для производства гранулированных кормов, с учетом зоотехнических требований к ним - является задачей актуальной и экономически оправданной.
В предлагаемой диссертационной работе создана теоретически обоснованная и экспериментально проверенная в лабораторных и производственных условиях, пригодная для инженерного применения, методика экспериментального исследования, моделирования и оптимизации конструктивно-технологических параметров оборудования для приготовления гранулированных кормов с заданными физико--механическими свойствами.
На основании положений системного анализа выбраны наиболее значимые управляемые факторы и единый для всех этапов процесса критерий оптимизации - общая удельная энергоемкость линии в целом; на основании теоретических и экспериментальных исследований доказано влияние вида плана эксперимента на точность моделирования и оптимизации и выявлена группа пригодных планов; произведен сравнительный анализ различных методов оптимизации и выбран наиболее эффективный, который модифицирован с учетом конкретных требований; разработаны алгоритмы выполнения всех этапов поиска оптимальных параметров процесса гранулирования кормов; составлены рабочие программы, позволяющие выполнить все трудоемкие расчеты на ЭВМ. Опыт использования, предложенной методики в ряде научно-исследовательских, конструкторских и проектных организаций подтвердил её пригодность и экономическую эффективность.
Диссертационная работа является частью научно-исследовательской темы "Разработка перспективных технологий и средств приготовления кормовых гранул и брикетов с заданными свойствами" (}& гос. регистрации 810042456), выполняемой Научно-исследовательской лабораторией гранулирования и брикетирования кормов Рязанского СХИ под руководством доцента В.Ф.Некрашевича, на основании постановления Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике №-286 от 22 июля 1981 года.
Народнохозяйственное значение диссертационной работы заключается в том, что предложенная автором методика позволяет разрабатывать оборудование и технологию производства гранулированных кормов с учётом выбранных критериев оптимальности, осуществлять модернизацию существующих технологических линий, повышать эффективность работы исследователей и проектировщиков за счёт применения рациональных планов экспериментального исследования и модифицированного метода оптимизации с использованием ЭВМ -при выполнении трудоёмких расчётов.
На защиту выносятся следующие вопросы;
Результаты системного анализа технологической линии гранулирования кормов и обоснование единого критерия оптимальности всего процесса с учётом конструктивно-технологических и зоотехнических требовании к оборудованию и получаемой продукции.
Результаты оценки влияния вида плана эксперимента на точность моделирования.
Методика оптимизации процесса гранулирования.
Результаты экспериментальной проверки и экономической оценки разработанного метода оптимизации процесса гранулирования кормов.
Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям профессору В.Т.Сергованцеву и доценту В.Ф.Некрашевичу за всестороннюю помощь при выполнении данной работы, а также коллективам Научно-исследовательской лаборатории гранулирования и брикетирования кормов и кафедры "Механизация животноводческих ферм" Рязанского СХИ за помощь в проведении экспериментальных исследований.
class1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ
КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ И ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ. class1
Производство и эффективность использования многокомпонентных гранулированных кормовых смесей
С переводом общественного животноводства на промышленную основу возрастаю? требования к коршм как до яажчию питательных веществ и сбалансированности рациона, так и по физико-механическим свойствам, определяющим возможность лучшего их использования и раздачи с помощью механизированных и автоматизированных средств.
В большей степени этим требованиям отвечают многокомпонентные кормосмеси в гранулированном и брикетированном виде получившие широкое распространение у нас в стране и за рубежом (4, 13, 16, 25, 42, 66, 75, 92, 135).
Так,в Финляндии, полнорационные многоструктурные гранулы и брикеты, предназначенные для всех домашних животных и рыб, производят на крупных комбикормовых заводах, более чем по 100 рецептам (124), Во Франции действуют заводы по производству различных гранулированных кормовых смесей, использующие в качестве основного технологического оборудования машины фирмы " RouSSelle " (65). В технологическую схему таких заводов входят следующие линии: подачи соломы; смешивания при введении патоки и добавок; подачи концентратов; гранулирования.
В Дании фирмой "SKIQLA" создан завод по производству полнорационных гранулированных кормосмесей с химической обработкой соломы (156).
Учёными ІДР (119) проведена большая работа по исследованию гранулирования соломы с добавками азотсодержащих соединений, результатом которой явилось создание технологической линий и необходимого оборудования. С 1975 по 1979 год включительно, на заводах ІДР с применением такого оборудования произведено до 101,5 тысяч тонн гранул с высоким содержанием соломы.
В СССР рядом исследовательских и проектных организаций разработаны технологические схемы приготовления полнорационных гранулированных кормов с различными добавками и наполнителями ( 63, 69, 77, 96 ).
На основе этих схем ГипроНИЙсельхозом разработаны типовые проекты цехов 814-94 для гранулирования, 8I4-II8 и 814-122 для брикетирования кормов ( 72 ). В состав технологических схем этих цехов входят сушильные агрегаты АВМ-1,5 или СБ-1,5, комбикормовые 0КЦ-І5, машины для измельчения грубых кормов, а также отечественное прессовое оборудование 0Ш-І,5, ОГК-3, ДТ-І и гранулятор-брикетировщик ОПК-2. Они универсальны и позволяют производить полнорационные брикеты и гранулы, брикетировать резку, гранулировать травяную муку, готовить травяную муку или резку в рассыпном виде. Комбикормовый агрегат 0ВД-І5 позволяет наряду с производством полнорационных комбикормов выпускать и обычные комбикорма-концентраты. Универсальность цехов позволяет утилизировать отходы сельского хозяйства и промышленности, производить сложные кормосмеси.
class2 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ class2
Системный подход к исследованию процесса гранулирования и выбор критериев его оптимальности
Анализ основных этапов технологического процесса гранулирования кормов показал, что наиболее распространенный подход к его изучению заключается в получении приближённых аналитических или эмпирических зависимостей, описывающих отдельные этапы процесса. Однако формулы, выведенные аналитическим путём, весьма громоздки, неточны, так как получены со многими допущениями и не учитывают многих факторов, влияющих на процесс, что особенно важно при его оптимизации. Этот традиционный путь не позволяет исследовать всю технологическую линию производства гранул, как систему в целом.
Наиболее глубоко и всесторонне описать процесс, выявить закономерности его протекания, взаимодействия его элементов между собой и с внешней средой можно, используя системный подход (27,61,127). Он по существу даёт алгоритм поиска модели процесса. Обычно составляется три вида описания системы: морфологическое, функциональное и информационное (22,126).
На рис. 2.1 показана схема морфологического описания системы "линия приготовления полнорационных гранулированных кормов", дающая представление о её строении. Данная система является элементом (подсистемой более низкого уровня) суперсистемы "кормо-перерабатывающее предприятие" и связана с ней внешними связями. Приведенное морфологическое описание обеспечивает возможность деления системы на более мелкие подсистемы (агрегаты), которые обычно подлежат изучению (61) и количественному анализу на сле-дущем этапе исследования -функциональном анализе.
class3 ОПТИМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ class3
Обоснование выбора метода оптимизации основных параметров процесса гранулировани
Решаемая в данной работе задача оптимизации относится к задачам нелинейного программирования, являющегося частным случаем математического программирования (43,91,145). В настоящее время пока ещё не существует единого общего метода решения нелинейных задач оптимизации, такового, как, например, симплексный алгоритм, разработанный для задач линейного программирования, и в последние пятнадцать лет нашедшего широкое применение во всех отраслях сельскохозяйственного производства (22,52,81,128,152). Область применения разработанных алгоритмов нелинейного программирования весьма ограничена (81), а в исследованиях процессов кормоприготовления эти методы вообще не применялись.
Выбор наиболее эффективного метода оптимизации полученных моделей процесса гранулирования комбикормов может быть произведён в результате анализа их геометрического представления. При этом должны быть учтены требования по точности решения задачи оптимизации и ограничения на затраты машинного времени.
Анализ вида поверхности функции отклика У(Х) при числе переменных не может быть осуществлен без преобразования её к каноническому виду (из-за невозможности геометрической интерпретации многомерных поверхностей). Сведение математической модели (3.1) к каноническому виду осуществляется путем переноса начала системы координат в точку условного экстремума функции Xs и последующего поворота осей для достижения симметрии (рис. ЗЛ). Перенос начала координат соответствует исключению в уравнении (ЗЛ) линейных членов Qf , а поворот осей - исключению перекрестных членов Gij .
Исследование влияния плана эксперимента на точность оптимизации процесса кондиционирования комбикормов в производственных условиях
Системный анализ процесса гранулирования кормов показал, что на критерий эффективности работы оборудования, при стандартной конструкции узла прессования и определенном способе кондиционирования, существенное влияние оказывают технологические факторы. Кроме того, как показано во второй главе данной работы, на точность оптимизации процесса оказывает влияние не только тщательность проведения экспериментальных исследований, но так-же и план проведения опытов. В производственных условиях действие неуправляемых и неконтролируемых факторов процесса, которые количественно оцениваются с помощью случайной составляющей опыта Е , более ощутимо, чем в лабораторных исследованиях. Для исследования процесса гранулирования кормов на производственной установке необходимо выбирать план эксперимента, который позво-лил бы уменьшить действие таких факторов на выбранный критерий оптимизации процесса, а следовательно улучшил точность его моделирования. Поэтому основной задачей производственных исследований процесса кондиционирования кормосмеси является оценка влияния матрицы плана эксперимента на точность оптимизации процесса.
Экспериментальным исследованиям подвергался опытно-производственный образец электрического кондиционера-смесителя непрерывного действия, установленный в технологическую линию приготовления полнорационных гранулированных кормов для кроликов (см. рис.1.1), взамен стандартного кондиционера-смесителя (59,60, 99).. Технологическая линия производства гранул смонтирована в производственном цехе Опытного проектно-конструкторского бюро Научно-исследовательского института пушного звероводства и кролиководства (ОПКБ НИИПЗиК).
Камера нагрева кондиционера (рис. 4.1) выполнена из алюминия марки Ал-1 (ГОСТ 2685-75) в виде вытянутого параллепипеда длиной 1,4 м, шириной 0,5 м и высотой 0,135 м. Внутренняя полость камеры нагрева представляет собой четыре цилиндрических канала диаметром 0,12 м. По наружной поверхности камеры нагрева в пазах располагаются трубчатые нагревательные элементы типа ТЭН-20А. Внутри цилиндрических камер помещены комбинированные транспорти-рующе-смешивающие устройства, имеющие синхронный шестеренный привод от электродвигателя через клиноременную передачу.
Внедрение результатов работы
Основным научным и практическим результатом проведенных в работе исследований является создание инженерно пригодной методики анализа и оптимизации различных этапов производства прессованных кормов.
В соответствии с предложенной методикой произведён расчет оптимальных технологических параметров линии приготовления гранулированных комбикормов для кроликов рецепта ПК-90-ІІ, установленной в ОПКБ НИИ пушного звероводства и кролиководства (п.Родники Московской области). Линия представляет собой серийное оборудование ОГК-3, в котором использован разработанный в НИЛГБ кормов Рязанского СХЙ кондиционер-смеситель комбикормов с электронагревом.
В учхозе "Стенькино" Рязанского СХИ внедрена линия гранулирования кормов для крупного рогатого скота с большим содержанием соломы (до 50%). Линия смонтирована на базе оборудования 01М-0,8 с модернизированной матрицей пресса. Расчет оптимальных конструктивных параметров матрицы и технологических параметров процесса произведён автором работы по изложенной выше методике.
В совхозе "Павловский" Рязанского района Рязанской области в технологическую линию гранулирований комбикормов для кроликов ОШ-0,8 установлен опытно-производственный образец механического кондиционера готовых гранул, оптимальные конструктивные, кинематические и технологические параметры которого рассчитаны по предложенной в работе методике.
Разработанная методика исследования и алгоритмы оптимизации оборудования для гранулирования кормов обсуждены, одобрены и приняты к внедрению Головным экспериментально-конструкторским институтом по машинам для переработки травы и соломы ( г.Вильнюс) .
Кроме того, при выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ В 78073901, 810042456 и др. НИЛТБК и кафедрой МЖФ Рязанского СХИ автором по предложенной методике произведён расчёт оптимальных конструктивных, кинематических и технологических параметров разработанного оборудования.
Внедрение материалов диссертации подтверждено документами, приведенными в приложении.
Похожие диссертации на Оптимизация процесса гранулирования кормов
