Содержание к диссертации
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 15
Общая характеристика технологических процессов в молочном скотоводстве 15
Микроклимат, методы расчета, технологии и технические средства его обеспечения 18
Технические средства для приготовления и раздачи кормов 26
Общая характеристика машинного доения коров 31
Инфицирование молока патогенными микроорганизмами и первичная обработка молока 41
Нагнетатели- преобразователи в молочном скотоводстве 44
Краткий обзор работ по исследованию технических средств с вращающимся рабочим органом, микробиологическим анализам и методам оценки качества работы систем обеспечения микроклимата 60
Постановка проблемы и задачи исследований 64 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В МОЛОЧНОМ СКОТОВОДСТВЕ 67
Системный анализ процесса производства молока 67
Энергетическая целесообразность объединения в одном устройстве нагнетательных и преобразующих функций 70
Теоретический анализ рабочего процесса нагнетателей-преобразователей и направления их совершенствования 75
Центробежная (радиальная) схема нагнетателей-преобразователей 75
Диаметральная схема нагнетателей-преобразователей 89
2.4. Определение порога энергетической эффективности ис
пользования нагнетателей-преобразователей 96
Затраты энергии на трение и вентиляцию молотковых дробилок, работающих по радиальной схеме 101
Пути повышения теплотехнической эффективности ТУВ 109
Обоснование и расчет энергосберегающих режимов работы технических средств обеспечения микроклимата 118 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 143
Программа экспериментальных исследований 143
Методика параметрических испытаний нагнетателей-преобразователей 146
Методика теплотехнических испытаний ТУВ 154
Методики оценки стабильности водно-масляной эмульсии и определения качества молока 159
Методика определения основных показателей рабочего процесса измельчителей 162
Методика оценки качества работы систем обеспечения микроклимата 164
Методика оценки влияния опытной системы обеспечения микроклимата на продуктивность животных 173
Методика исследования флюктуации разрежения 176
3.9 Методика оценки эффективности капитальных вложений 176
4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ
НАГНЕТАТЕЛЕЙ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 180
Параметрические испытания моделей и опытных образцов преобразователей-нагнетателей 180
Разработка формы основания корпуса нагнетателей-преобразователей 186
Влияние формы основания корпуса на аэродинамические характеристики ТУВ 186
Исследование влияния формы основания корпуса на нагнетательные способности бункерных измельчителей - раздатчиков 192 грубых кормов
Совершенствование формы основания корпуса роторной косилки-измельчителя 197
4.3 Исследование влияния конструктивных параметров рабоче
го колеса нагнетателей-преобразователей на их нагнетательные спо
собности 202
4.3.1 Совместное влияние угла установки, числа и радиуса кри
визны лопастей ТУВ на его аэродинамические показатели 202
4.3.2 Влияние числа лопастей и диаметра вала рабочего колеса
на аэродинамические характеристики ТУВ 205
Влияние числа молотков на нагнетательные свойства роторной косилки-измельчителя 212
Совместное влияние на коэффициент полезного действия числа пакетов молотков, количества молотков в пакете и угла отклонения молотка от радиального положения бункерных измельчителей-раздатчиков 214
Влияние формы лопасти, ее угла установки и диаметра рабочего колеса на нагнетательные свойства молочного насоса 216
Влияние профиля лопастей, диаметров основного и покрывающего дисков, угла установки и высоты лопатки на рабочие характеристики молочного насоса многоцелевого назначения 221
Влияние числа лопастей, угла установки, высоты и количества неподвижных лопаток на рабочие характеристики молочного насоса многоцелевого назначения 225
Совместное влияние углов установки лопастей и непод-
вижных лопаток на энергетические характеристики молочного на
соса многоцелевого назначения 233
4.4 Математическая идентификация напорной и энергетических
характеристик молочного насоса многоцелевого назначения 238
Совместное влияние закрытой и открытой частей межлопастного канала и длины неподвижной лопатки на показатели работы молочного насоса многоцелевого назначения 238
Математическая аппроксимация напорной характеристики 244
Математическая аппроксимация энергетической характеристики 247
Идентификация энергетической (коэффициент полезного действия) характеристики 249
4.5 Оптимизация проточной части нагнетателей-
преобразователей 252
Оптимизация формы основания корпуса бункерных измельчителей грубых кормов 252
Оптимизация параметров корпуса роторной косилки-измельчителя 260
Оптимизация параметров корпуса теплового утилизатора-вентилятора 265
5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ
НАГНЕТАТЕЛЕЙ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 267
5.1 Исследование преобразующих свойств ТУВ 267
Влияние температуры наружного воздуха и частоты вращения рабочего колеса на тепловую эффективность ТУВ 267
Теплотехнические испытания опытных образцов ТУВ со щелевыми лопастями и лопастями обтекаемой формы 269
Исследование газового состава, пыли и бактерий в удаляемом воздухе, прошедшем через испаритель ТУВ 271
5.2 Исследование преобразующих свойств молочного насоса 274
Бактерицидные свойства молочного насоса 274
Бактерицидное воздействие молочного насоса многоцелевого назначения 277
Влияние конструктивных и технологических факторов на стабильность водно-масляной эмульсии, полученной в молочном насосе многоцелевого назначения 280
Исследование молочного насоса многоцелевого назначения в режиме получения пастообразных белковых продуктов 286
5.3 Исследование преобразующих свойств измельчителей зер
новых и стебельных материалов 290
5.4 Рациональные схемы нагнетателей преобразователей 301
6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В МОЛОЧНОМ СКОТОВОДСТВЕ 309
6.1 Исследование систем обеспечения микроклимата 309
Оптимизация режимов обеспечения микроклимата в помещениях для откорма крупного рогатого скота 309
Микроклимат в коровниках, оборудованных энергосберегающими системами обеспечения микроклимата на базе ТУВ
6.2 Исследование флюктуации разрежения в молокопроводе 320
Исследование флюктуации разрежения в тупиковой и за- 320 кольцованной ветвях молокопровода
Исследование стабильности вакуумного режима в молокопроводе при установке дополнительных ресиверов 325
Влияние высоты расположения подъемной ветви на стабильность вакуумного режима 328
6.3 Коррекция предельной величины разрежения в
молокопроводе 333
7 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ 344
7.1 Энергосберегающие системы обеспечения микроклимата 344
7.2 Доение, обработка молока и получение его заменителей 347
Модернизация доильной установки АДМ 8А 347
Охладитель молока 349
7.2.3 Молочный насос с прямолинейной формой лопасти 353
7.2.4. Установки на базе молочного насоса многоцелевого на
значения 357
7.3 Приготовление и раздача кормов 368
Агрегат для приготовления кормов 368
Малогабаритный комбикормовый агрегат 370
Дробилка с жалюзийными сепараторами в торцевых поверхностях 373
Роторная косилка-измельчитель 3 74
Измельчитель-раздатчик стебельных материалов 376
7.4 Оценка экономической эффективности результатов иссле
дований 377
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 382
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 387
ПРИЛОЖЕНИЯ 425
Введение к работе
В 2003 г. производство молока в мире составило 600 млн. тонн, что на 1,1% больше чем в предыдущем году [342]. Уровень потребления молока в стране значительно ниже научно обоснованных норм, по которым 30...35% суточного рациона человека должно приходится на молочные продукты.
После некоторого роста производство молока в хозяйствах всех категорий в 2003 г. его валовой надой сократился по сравнению с 2002 г. [110, 402]. В месте с тем сохранилась тенденция увеличения продуктивности, потребления молока и доли хозяйств населения и крестьянских (фермерских) хозяйств в его производстве. Доля последних в производстве молока по сравнению с 1990 г возросла на 22% и достигла 53%. Потребление молока на душу населения по Российской федерации в 2001 г. составило 221 кг, в Приволжском федеральном округе-258 кг, в Кировской области - 287 кг; соответственно, в 2003 г. - 229 кг, 265 кг и 298 кг [1, 4, 110, 203, 266, 267, 402].
Из общего числа топливных ресурсов, используемых в сельском хозяйстве на нужды производства, животноводство потребляет примерно 20% [243]. В связи с бурным ростом цен на энергоносители повысилась удельная доля затрат на энергию в издержках производства молока. Если в 1985...1990 гг. затраты на электроэнергию и топливо в общих издержках производства молока составляли 2,5...3,5%, то за десять лет они возросли до 6...8% [134], и эта тенденция продолжает сохраняться. Самая большая доля (69%) затрат энергии приходится на подготовку кормов, в которой важной и энергоемкой операций является их измельчение в соответствии с зоотехническими требованиями [405, 414]. Около 32% всей потребляемой энергии или около 3 млн. тонн условного топлива расходуется на поддержание микроклимата животноводческих помещений [243, 347, 476]. До 50,5% общего количества сберегаемого топлива может быть достигнуто за счет совершенствования технологии содержания и кормления животных [134].
Характерной особенностью функционирования биотехнической системы «Человек-Машина-Животное-Среда» (Ч-М-Ж-С) в молочном скотоводстве является сопряжение искусственных процессов доения с естественными процессами жизнедеятельности животных [68, 82, 220]. Поэтому чрезвычайно важно поддерживать стабильность количественных характеристик всех воздействий на животное. Практика подтвердила полную несостоятельность попытки компенсировать несоответствие технического звена физиологическим процессам, инстинктивным потребностями и естественным реакциям, приспособленностью животных к этим машинам и условиям содержания. В результате современное состояние молочного скотоводства характеризуется широким распространения мастита и коротким сроком использования животных [324, 326, 343]. В Кировской области эксплуатация коров в общественном стаде не превышает 3,6...3,8 лет. Воспаление молочной железы в среднем регистрируется у 29,3% коров, в 38...40% случаев причиной выбраковки высокопродуктивных животных является патология вымени [83]. Высокая заболеваемость коров маститом и короткий срок их эксплуатации снижают экономическую эффективность и замедляют темпы развития отрасли.
В результате санитарно-химических исследований установлено, что около 6% сдаваемого молока не соответствует гигиеническим нормативам [433]. Для производства продуктов детского питания эта цифра достигает 8%, удельная доля проб молока, не отвечающая нормативам по микробиологическим показателям, составляет более 13%. Требования к сдаваемому молоку с введением нового ГОСТа повышаются [239, 343, 410].
Высокая стоимость выращивания молодняка крупного рогатого скота, а также других видов сельскохозяйственных животных связана с тем, что при выпойке расходуется значительное количество молока. За счет переориентации ценного сырья с кормовых целей на пищевые нужды перерабатывающая промышленность России способна получать дополнительно 15...20% молока, а производители доходность и рентабельность молочного скотоводства [213].
Массовое потребление заменителей цельного молока (ЗЦМ) закончилось по экономическим причинам в начале 90-х годов. В настоящее время использовать на эти цели заменитель молока в 2..3 раза выгоднее, чем цельное молоко. Однако потребность животноводства в них обеспечивается не более чем на 20%, по причине отсутствия простых технических средств приготовления ЗЦМ и недостаточного его производства [338, 402, 436].
Целью работы является снижение энергетических, трудовых и материальных затрат в молочном скотоводстве, увеличение выхода и качества продукции путем повышения эффективности функционирования нагнетателей-преобразователей и разработки на их основе энерго-и ресурсосберегающих технологических линий и технических средств обеспечения микроклимата, приготовления и раздачи кормов, доения и первичной обработки молока.
Объекты исследования - технологические процессы и технические средства обслуживания молочного стада и первичной обработки молока.
Методы исследований. Методологическую основу исследований составили системный анализ и синтез. При выполнении работы использовались серийно выпускаемое оборудование для обслуживания животных и разработанные экспериментальные установки; методы и средства анализа измельчаемых материалов, молока, воздушной среды, рекомендуемые ГОСТами и предложенные вновь; методы планирования экспериментов с обработкой данных на ПЭВМ.
Научную новизну работы составляют:
теоретическое обоснование энергетической эффективности объединения нагнетательных и преобразующих функций в устройствах с вращающимся рабочим органом;
энергосберегающие режимы работы систем обеспечения микроклимата; математическое описание и аналитические зависимости для определения коэффициента рециркуляции, обоснование рациональных значений коэффициента тепловой эффективности утилизатора;
конструктивно-технологические схемы систем обеспечения микроклимата, технологических линий приготовления заменителей молока и молочных смесей, теплового утилизатора-вентилятора (ТУВ), молочных насосов, измельчителей зерновых и стебельных кормов, устройства стабилизации разрежения в вакуумных системах доильных установок (23 авторских свидетельства и патента на изобретения и полезные модели);
методики исследования воздушной среды животноводческого помещения и оценки ее влияния на продуктивность животных.
Практическая ценность исследований обусловлена:
существенным снижением затрат энергии на поддержание оптимального микроклимата в коровниках, расширением функциональных возможностей молочных насосов и измельчителей зерновых и стебельных материалов;
широким использованием разработанных конструкций молочных насосов в технологических линиях транспортировки молока и в качестве смесителя при производстве его заменителей и молочных смесей;
стабилизацией флюктуации разрежения в молокопроводе доильной установки, снижением его предельной величины и уменьшением на этом фоне случаев заболевания молочной железы.
Разработанные методы расчета и оптимизации параметров и режимов работы нагнетателей-преобразователей технологических линий и технических средств могут быть использованы в проектных, конструкторских, научно-исследовательских и учебных заведениях.
Результаты научно-технических разработок доведены до создания макетных, опытных образцов и серийного производства. Материалы исследований, а также аэродинамическая схема ТУВ переданы лаборатории местного кондиционирования ЦНРШПромзданий (г. Москва), проектному институту «КИРОВАГРОПРОМПРОЕКТ» (г. Киров) и использованы при составлении исходных требований на создание конструкции ТУВ с повышенными аэродинамическими свойствами (тема № 167-5-3) и в проекте фермы на 400
коров. Методика оценки качества работы технических средств использована отделом механизации НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (г. Киров) при выполнении научных исследований по изучению температур-но-влажностных полей в напольных зерносушилках (тема ОЦО 32.02.03). Материалы исследований и конструктивно-технологические схемы бытового измельчителя, косилки-измельчителя, молотковой дробилки зерна с жалю-зийным сепаратором, пульсоколлектора переданы в ОАО «ВМП «АВИТЕК», ОАО «ПОЧВОМАШ», ОАО «Слободской машиностроительный завод» и ОАО «Кировский завод «МАЯК». Энергосберегающие системы обеспечения микроклимата, устройства для измельчения кормов и стабилизации разрежения в молокопроводе внедрены в ряде хозяйств Кировской области. Результаты исследований использованы при изготовлении комплекта рабочих органов к КИР-1,5 (100 шт.), измельчителя-раздатчика стебельных кормов (1 шт), молочных насосов (274 шт.), смесителей (72 шт.), установок для приготовления смеси мороженого (22 шт.), установок для получения пастообразных продуктов (7 шт.), установок для получения детских молочных продуктов (5 шт.), резервуаров-охладителей (32 шт.), установок восстановления сухого молока (3 шт.), установок циркуляционной мойки (3 шт.). Результаты научно-технических разработок используются в учебном процессе на инженерных факультетах ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, Пензенская ГСХА, Пермская ГСХА им. Д.Н. Прянишникова и Вологодская ГМХА им. Н.В. Верещагина. Документально подтвержденная прибыль от реализации технических средств, содержащих результаты исследований, составила 4481810 рублей. Расчетный экономический эффект от внедрения в коровнике на 200 коров энергосберегающей системы обеспечения микроклимата и устройства стабилизации разрежения в молокопроводе равен 317,4 тыс. рублей (цены 2003 г.). Работа выполнена на кафедре технологического и энергетического оборудования ФГОУ ВПО Вятская ГСХА в соответствии с планами научно-исследовательских работ по теме: «Совершенствование технологических
процессов и машин на фермах и комплексах крупного рогатого скота» (Государственный регистрационный номер-01. 200.2 06474").
Основные положения диссертационной работы доложены на Международных научно-практических конференциях в ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им Н.В. Рудницкого (г.Киров, 1998, 2000, 2002 гг.), в ГНУ ВНИИМЖ (г. Подольск, 2002...2004 гг.); в ГНУ ВИЭСХ (г. Москва, 2003, 2004 гг.); на X и XI Международных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (г. Переславль-Залесский, 2000 г., г. Казань, 2002 г.). С 1980 г. содержание работы докладывалось на ежегодных научных конференциях Вятской ГСХА. Оборудование с использованием нагнетателей-преобразователей экспонировалось на международных выставках и награждено четырьмя дипломами и бронзовой медалью.
На защиту выносятся следующие положения:
теоретические предпосылки энергетической целесообразности объединения нагнетательных и преобразующих функций в технических средствах с вращающимся рабочим органом на примере ТУВ, молочного насоса многоцелевого назначения, измельчителей зерновых и стебельных кормов;
аналитические зависимости, определяющие действительную частоту вращения потока в нагнетателе-преобразователе и минимально допустимый по условиям энергетической эффективности коэффициент полезного действия ТУВ, молочного насоса многоцелевого назначения, измельчителей зерновых и стебельных кормов;
методики оценки качества работы технических средств жизнеобеспечения и влияния их на продуктивность обслуживаемых животных;
математические модели рабочего процесса нагнетателей-преобразователей;
- энергосберегающие режимы работы систем обеспечения микроклимата
в зимний период, обоснование рациональных значений коэффициента тепло-
вой эффективности утилизаторов и математические зависимости для инженерных расчетов режимов работы и параметров технических средств;
- конструктивно-технологические схемы и результаты исследований
энергосберегающих систем обеспечения микроклимата, технологических ли
ний приготовления заменителей и молочных смесей, устройства стабилиза
ции разрежения в молокопроводе, теплового утилизатора-вентилятора, мо
лочного насоса многоцелевого назначения, измельчителей зерновых и сте
бельных кормов;
снижение предельной величины и стабилизация разрежения в молоко-проводе доильной установки путем применения дополнительных ресиверов;
экономическая и энергетическая эффективность результатов исследований.
Основное содержание диссертации изложено в 118 научных работах, из которых 52 опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 23 авторских свидетельства и патента на изобретения и полезные модели.
Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений, изложена на 485 страницах машинописного текста, включая библиографию из 520 наименований, 105 рисунков, 101 таблицу и 7 приложений.
Для выполнения исследований сотрудники кафедры технологического и энергетического оборудования ВГСХА создали благоприятные морально-психологические и технические условия. Совместно и под руководством автора, принимая участие в выполнении отдельных этапов диссертационной работы, Алешкин В.Р., Баранов Н.Ф., Красиков Д.Ю., Мохнаткин В.Г., Оде-гов В.А., Поярков М.С, Русских В.М., Рылов А.А., Филинков А.С. оказывали всестороннюю поддержку и помощь. Им и всему коллективу кафедры приношу искреннюю благодарность.
15 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
