Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса механизации процесса прессования кормовых смесей. Цель и задачи исследований 10
1.1. Анализ процесса уплотнения кормов 10
1.2. Существующие технологические линии приготовления прессованных кормовых смесей и их анализ 19
1.2.1. Технологические линии и устройства для приготовления кормовых смесей в виде гранул 19
1.2.2. Технологические линии и устройства для приготовления кормовых смесей в виде брикетов 24
1.3. Способы кондиционирования кормового сырья 42
1.4. Анализ и классификация устройств для прессования кормовых смесей 47
1.5. Обзор научных исследований процесса уплотнения кормовых смесей 52
1.6. Цель и задачи исследований 58
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса прессования кормовых смесей в шнековом брикетирующем прессе 61
2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы шнекового брикетирующего пресса 61
2.2. Определение плотности прессуемого материала на участках пресса 63
2.3. Определение производительности шнекового брикетирующего пресса 67
2.4. Определение мощности затрачиваемой на процесс прессования 68
2.5.Определение основных, конструктивных и режимных параметров шнекового брикетирующего пресса 7 4
Выводы 7 5
ГЛАВА 3. Программа, методика исследований и обработка экспериментальных данных 77
3.1. Программа, методика и объекты исследования 77
3.2. Экспериментальная установка и оборудование для экспериментальных исследований 78
3.3. Методика определения физических и механических свойств корма, используемых в экспериментальных исследованиях 81
3.4. Методика определения производительности и удельной мощности процесса прессования
кормовых смесей 8 4
3.5. Методика определения оптимальных, конструктивных и режимных параметров пресса 85
3.6. Выбор факторов и уровней их варьирования, методика отсеивающего эксперимента 86
3.7. Методика определения оптимальных параметров процесса прессования кормовых смесей 91
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 94
4.1. Общие положения 94
4.2. Физико-механические свойства кормов при исследовании процесса прессования 94
4.3. Результаты экспериментального отсеивания факторов, незначительно влияющих на
процесс прессования 96
4.4. Результаты оптимизации конструктивных и режимных параметров брикетирующего пресса 99
4.5. Исследования влияния угловой скорости вращения шнека и исходной влажности кормовой смеси на производительность пресса и влажность готовых брикетов 104
4.6. Исследования влияния угла наклона каналов прессования на крошимость и удельную мощность 107
4.7. Результаты исследований удельных затрат энергии и производительности пресса от конструктивных и режимных параметров пресса 108
Выводы 111
ГЛАВА 5. Производственные испытания и экономическая эффективность использования шнекового брикетирующего пресса 113
5.1. Производственные испытания шнекового брикетирующего пресса 113
5.2. Экономическая эффективность результатов исследований 115
Общие выводы 123
Список используемой литературы 126
Приложения 145
- Технологические линии и устройства для приготовления кормовых смесей в виде гранул
- Определение плотности прессуемого материала на участках пресса
- Экспериментальная установка и оборудование для экспериментальных исследований
- Физико-механические свойства кормов при исследовании процесса прессования
Введение к работе
Важнейшее условие успешного развития животноводства -создание прочной кормовой базы в связи, с чем большое значение придаётся кормопроизводству.
Рациональное использование кормов приобретает первостепенное значение. Эффективность корма будет тем выше, чем больше он соответствует потребностям животных по физико-механическим свойствам и содержанию питательных веществ.
При использовании кормов нередко наблюдается их значительный перерасход в расчёте на единицу прироста массы животных в связи с низкоэффективной технологией кормления. Раздельное скармливание сочных, грубых и концентрированных кормов приводит к тому, что наиболее «вкусные» (концентраты, свёкла, хорошее сено) поедается животными полностью, другие, с низкими вкусовыми достоинствами (солома, силос крупного измельчения) лишь частично, остальная часть идёт в отходы.
Одно из основных условий рационального использования кормов - сбалансированность рационов по основным питательным веществам, протеину, макро- и микроэлементам, витаминам. Наиболее эффективны в этом смысле полнорационные кормовые смеси.
Такие кормовые смеси можно готовить на выпускаемых промышленностью комплектах оборудования, кормоцехов типа: КОРК-15, К0РК-15А, КОРК-5, КЦК-5-3, КЦО-20 и др. Многочисленные исследования показали, что оборудование в их составе используется с низкой эффективностью
вследствие недостатка организационно-технологического и технологического характера: простоев кормоцехов и линий в летне-пастбищный период, низкой надёжности отдельных узлов и механизмов, что приводит к простою оборудования в зимне-стойловый период, и как следствие, сбою в режиме кормления животных.
Избежать сбоев в режиме кормления животных при выходе оборудования кормоцехов из строя можно, создав запас прессованных полнорационных кормовых смесей. В то же время производство прессованных кормовых смесей позволяет:
- сократить потери питательных веществ и каротина при
заготовке и хранении;
сократить механические потери при погрузочно-разгрузочных операциях, транспортировании, раздаче и скармливании животным;
- более экономично использовать складские помещения,
тару и транспортные средства;
сократить трудозатраты за счёт комплексной механизации и автоматизации процессов погрузки и разгрузки;
- улучшить качество подготовки корма к скармливанию.
В результате повышения плотности кормов увеличивается потребление их животными на 19 %, а в результате воздействия давления (до 10 МПа) и температуры (80...90С) на кормовые компоненты, они лучше усваиваются организмом животного на 15 % [86].
На сегодняшний день существует множество различных технологических линий и устройств для производства
прессованных кормовых смесей таких как, ОГМ-0,8А, ОГМ-0,8Б, ОГМ-1,5, ОПК-2 и др. Однако данные технологические линии осуществляю процесс прессования на предварительно высушенной высокотемпературным способом (на агрегатах типа АВМ-1,5; АВМ-0,65 и т.п.) травяной муке или травяной резке. Данные агрегаты АВМ потребляют около 350-400 кг дизельного топлива на 1 т высушенной массы. Сами пресса громоздки, металлоёмки и требуют больших затрат электроэнергии, к тому же процесс получения прессованных кормовых смесей неустойчив, зависит от многих технологических факторов и требует тщательных регулировок оборудования. В то же время исследованиями доказано, что некоторые незаменимые аминокислоты, входящие в состав травяного белка в процессе высокотемпературной сушки разлагаются топочными газами, образуя нерастворимые формы коллоидов пектиновых веществ, которые резко снижают перевариваемость клетчатки.
Исследованиями установлено, что наиболее эффективной формой прессованных кормов для крупного рогатого скота являются кормовые смеси различных компонентов в виде брикетов, а не гранулах, так как гранулы нарушают работу рубца, что ведёт к снижению продуктивности[71].
Всё вышесказанное свидетельствует о необходимости теоретического и экспериментального исследования процесса прессования кормовых смесей, разработки конструкции и обоснования параметров устройства, позволяющего получать прессованные кормовые смеси без предварительной, активной сушки на агрегатах типа АВМ,
кондиционирования, и с наименьшими затратами энергии на сам процесс прессования.
Решению этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.
На защиту выносится конструктивно-технологическая схема шнекового брикетирующего пресса, а также следующие научные положения:
аналитические выражения для расчёта основных конструктивно-режимных параметров шнекового брикетирующего пресса, а также его производительности и удельной мощности;
математические модели и экспериментальные зависимости оценочных показателей работы брикетирующего пресса;
результаты экспериментальных исследований по проверке выдвинутых теоретических положений;
результаты производственных испытаний и экономическая оценка работы шнекового брикетирующего пресса.
Технологические линии и устройства для приготовления кормовых смесей в виде гранул
Внутриклеточная влага при влажности массы свыше 16 % делает частицы упругими, и они хуже спрессовываются. Поэтому экспозиция увлажнения перед прессованием должна быть меньше времени проникновения влаги в материал, т.е. набухания частиц. Поверхностная влага способствует лучшему сближению частиц и их уплотнению, особенно при кондиционировании паром или при наличии устройств активного перераспределения увлажнения.
Производительность пресс-брикетировщиков зависит от степени размола компонентов. Так, при уплотнении комбикорма со средним размолом (остаток на ситах: 3 мм - 5...10 %, 5 мм - нет) производительность на 10...15 % выше, чем при уплотнении комбикорма крупного размола. Несколько иная основа получения брикетов из стебельных материалов, так как действие сил молекулярного притяжения при крупном измельчении проявляется незначительно. Кормовая масса удерживается в брикете в основном за счёт сил механического сцепления, как следствие переплетения частиц. В работах профессора В.И. Особова [109] отмечено, что при брикетировании стебельной массы с длиной частиц менее диаметра камеры ( d) брикеты менее прочны, чем в случае ( d). Прочность брикетов зависит от продолжительности релаксации напряжения в зоне нагрузок. У бобовых, например, период релаксации менее 23 с, у злаковых 27 с, что объясняет причину лучшего брикетирования бобовых трав. При нагреве брикетируемой массы до 7 0...80С период релаксации уменьшается почти вдвое.
Для нормального уплотнения кормов в брикеты и гранулы необходимо равномерное сжатие массы в фильерах и пресс-камерах, что обуславливает определённую связь между показателем крошимости и их размерами. Этим объясняется трудность получения прочных гранул диаметром более 20 мм. Крошимость брикетов и гранул возрастает также с увеличением числа срезов, времени их охлаждения и зависит от способа кондиционирования.
Приготавливать гранулы можно скатыванием мучнистых кормов в шарики при влажности массы 3 0...35 %. Однако широкого распространения этот способ не получил, так как компоненты должны быть тонкого размола, а полученные гранулы нужно сушить для снижения их влажности до 12...14 %, что усложняет технологический процесс.
По данным учёных СМ. Доценко, В. В. Петрова, И. В. Бибик и др. соевое зерно и продукты его переработки 14
это ценные высокобелковые продукты с большим содержанием жира, витаминов и минеральных веществ. Скармливание такого набора веществ сельскохозяйственным животным существенно увеличивает биологическую ценность рационов и обеспечивает повышение их продуктивности. В сыром виде зерно сои и продукты переработки содержат антипитательные вещества (ингибитор трипсина, уреазу, и др.), что снижает скорость роста животных и увеличивает затраты на единицу продукции. Однако данные вещества разрушаются при подготовке соевого зерна и продуктов его переработки к скармливанию путём воздействия на них высоких температур и давления [29].
Наиболее эффективными, с точки зрения снижения затрат и повышения питательных свойств кормов с использованием пророщенного соевого зерна, является его смешивание с концентрированными кормами с последующей баротермической обработкой. Наиболее полно требованиям такой подготовки кормов отвечают пресс-экструдеры с кольцевыми отверстиями, которые обеспечивают баротермическую обработку смеси любых концентрированных кормов с пророщенной соей, содержащей большое количество белка и витаминов. В результате такой обработки увеличивается питательная ценность продукта, за счёт повышения перевариваемости белка. Это в конечном итоге позволяет повысить выход продукции на единицу затрачиваемого корма[30].
При уплотнении смесей из плохо прессуемых компонентов (овса, ячменя, кукурузы) для придания брикетам и гранулам необходимой прочности добавляют жир, связующие вещества (СВ), например бентониты, мягкие фосфаты и каолин, до 24 кг/т. Применение различных СВ позволяет получить прочные брикеты меньшей плотности (500...600 кг/м3) , что позволяет скармливать их животным непосредственно без дополнительной подготовки.
Кроме указанных, в качестве связующих веществ можно применять органические углеводосодержащие вещества, такие, как мелассу, солёный гидрол, крахмал и другие. Экспериментально установлено, что применение связующих веществ на 2 0...4 0 % уменьшает крошимость брикетов и гранул и, как правило, повышает их кормовую ценность [37] .
В качестве связующего вещества для брикетов Волгодонский молочный институт рекомендует экструдат смеси размолотого зерна и карбамида. Выходящая из экструдера масса поступает в кольцевую фильеру матрицы штемпельного пресса, где наносится на поверхность сформированного брикета и движется далее с брикетированной массой в матрице большого диаметра до остывания. Толщина экструзионной плёнки на поверхности брикета 2...3 мм, плотность брикетов 550...560 кг/м3, крошимость 5...6 % (плотность без оболочки такой крошимости из того же материала должна быть не менее 800...1200 кг/м3) .
Определение плотности прессуемого материала на участках пресса
По способу формирования брикетов и гранул пресса подразделяются: на выдавливающие (рис.1.19,а) и формующие (рис.1.19,б). Примером выдавливающего типа могут служить пресса с вертикальной неподвижной матрицей и вращательными роликами ОПК-2А-2, мобильные и стационарные прессы фирм Landel и John Deere (США), с горизонтальной кольцевой неподвижной матрицей прессы ПБС-3.0 (ВИМ), РЛ-450 Rousselle (Франция), пресс-брикетировщик швейцарской фирмы «Альфа-Лаваль». В таких прессах обеспечивается непрерывность процесса, что даёт большую производительность. Однако для этих прессов требуются сменные матрицы для материалов, отличающихся физико-механическими свойствами. Уплотняемый материал в них дополнительно перетирается роликами, что обуславливает увеличенную энергоёмкость процесса. К формующим относятся штемпельные стационарные и передвижные прессы фирм MELEN (Франция), Taurjpp Jnidrai (Дания), FAR и KAHL (Германия), разработанный в Рязанском СХИ пресс-брикетировщик работающий по принципу прокатки.
По конструктивному исполнению пресса подразделяются на следующие типы: шестерёнчатые, вальцовые, клиновые, шнековые, штемпельные и плунжерные (рис. 1.18). Шестерёнчатые устройства прессования кормовых смесей (рис.1.19,б) весьма цикличны в своей работе и мало производительны.
Вальцовые и клиновые пресса (рис.1.19,а) требуют равномерной подачи к вальцам и клиньям, для получения большой степени уплотнения нужно увеличить диаметр колец. Их недостатком является большая энергоёмкость, обусловленная тем, что продавливающие роллеры воздействуют на всю поверхность матрицы, включая и перемычку между отверстиями. Вальцовый пресс «Ландел 4 50» с кольцевой матрицей выдавливающего типа (фирма «Ландел», США) имеет неподвижную горизонтальную матрицу с регулируемыми по сечению каналами. Подобный выдавливающий способ при прессовании корма в виде вафель диаметром 7,5-10см и толщиной 2-2,5 см использован в прессах Breggs Hooven (патент США №2995445 от 8.08.1961г.)
В шнековых прессах брикеты и гранулы формируются уже при выдавливании их посредством шнека (рис.1.19,а) через формующую головку, которая может быть как цилиндрической, так и конической. Примером такого устройства служит пресс, разработанный в ДальГАУ [9]. Выполнение формующих органов в виде цилиндрических или конических головок позволяет значительно снизить давление на формующий орган, а это в свою очередь позволяет снизить энергоёмкость процесса прессования и повысить надёжность прессов [75], [109].
Штемпельные и плунжерные пресса (рис.1.19,б) прессуют материал порциями, а некоторые требуют циклической подачи материала. Вследствие этого они не нашли своего применения в производстве. Шестиштемпельный пресс Калининского политехнического института в своей основе имеет звездообразный кривошипно-шатунный механизм, опытный образец которого используется на комбикормовом заводе «Дон-7», и его производительность 8-10 т/ч при диаметре брикетов 60-100 мм и высоте до 20 мм.
Из проведённого анализа устройств для прессования кормовых смесей и предложенной их классификации установлено, что: в качестве формующего органа прессования целесообразно использовать конические головки с каналами прессования направленными под углом к направлению движения корма; для обеспечения сглаживания неравномерности входного потока кормовой смеси подачу материала к формующей головке и предварительное его прессование следует осуществлять коническим шнеком с переменным шагом витков; в целях снижения неравномерности смешивания компонентов кормовой смеси с минеральными добавками целесообразно обогащение минеральными компонентами производить непосредственно в камере прессования.
Экспериментальная установка и оборудование для экспериментальных исследований
Изучение литературных источников посвященных проблеме прессования кормов, результатов теоретических исследований и предварительных экспериментов показывает, что модель прессования кормов является функцией большого числа факторов. Предварительное изучение объекта исследования позволило выбрать уровни некоторых факторов и принять их в дальнейших исследованиях постоянными [63].
Подачу материала принимаем равной 0,033-0,035 кг/с, что соответствует номинальной загрузке данного шнекового брикетирующего пресса. Длину частиц принимаем в пределах 30-50 мм, что соответствует зоотехническим нормам. Влажность исходной кормовой смеси принимаем в пределах 35-43 %, что соответствует заданному составу кормовой смеси. Таким образом, для дальнейших исследований ряд подозрительных факторов влияющих на качество брикетов содержат девять факторов. В перечень факторов, включались факторы, отвечающие требованиям: управляемости, операционности, однозначности, совместимости и независимости [87]. К факторам, влияющим на процесс прессования кормовых смесей, относятся: угловая скорость вращения, высота выхода противорезов измельчающих ножей, зазор между расщепляющей декой и конусом, длина формующих каналов, глубина формующих каналов, количество измельчающих ножей, количество формующих каналов, угол наклона расщепляющей деки, высота рифлей расщепляющего конуса. Уровни варьирования факторов выбираем на основе теоретических исследований и поисковых опытов. Для выделения существенных факторов применяем план Плакетта-Бермана, представляющий собой насыщенный план с матрицей специальной конструкции [87] . При этом выдвигаем гипотезу, что доминирующее влияние на отклик оказывают линейные эффекты. Число экспериментов в этих матрицах кратно четырём (N=4к) и с их помощью можно исследовать влияние (4к М факторов (к - кратность матрицы). Выбор числа экспериментов осуществляем из условия N ({-количество оцениваемых факторов) . В нашем случае (=9, тогда ближайшее N=12, а k=N/4=3. В качестве критерия оптимизации в отсеивающем эксперименте принят показатель - крошимость готовых брикетов (Кр) . Матрицу плана строим по известной методике [87]. Матрица плана приведена в таблице 3.1. Количество фиктивных факторов определяется из условия 4k-l-f расположением их в матрице плана в случайном порядке. Фиктивные факторы используются для расчёта оценки дисперсии наблюдения. Xi, Xj - независимые параметры (факторы). Исходя из поставленной задачи и с учётом требований к плану эксперимента был выбран Д-оптимальный план Кифера [1]. Использование Д-оптимального плана позволяет получить оценки, имеющие минимально-возможное рассеяние относительно центра распределения. Использование критерия Д-оптимальности позволяет охватить единым подходом широкий круг экспериментальных задач (задачи построения не линейных моделей - оцениваемые параметры нелинейно связаны с выходной переменной), задачи с произвольной областью варьирования независимых переменных, случаи неодинаковой точности опытов при различных условиях проведения эксперимента, последовательное планирование. Матрица плана дана в приложении 1. Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на (рис.3.1). В качестве критериев оптимизации были приняты: крошимость брикетов (Кр) и удельная мощность (NyB) . Расчёт коэффициентов регрессии производим с использованием ЭВМ при помощи программы Statistica v. 5.5 фирмы StatSoft (USA).
Ошибку опытов оцениваем по параллельным опытам, т.е. опытам, повторенным несколько раз при одних и тех же значениях факторов. Для оценки отклонений параметра оптимизации от его среднего значения вычислим дисперсию по данным трёх параллельных опытов. Однородность ряда дисперсии проверяем по Критерию Кохрена при 5% уровне значимости и числе степеней свободы f=n-l, где п - число параллельных опытов.
Физико-механические свойства кормов при исследовании процесса прессования
На основании литературного анализа и проведённых предварительных экспериментальных исследований выявлена необходимость совершенствования существующих технологических линий и устройств для прессования кормовых смесей. 2. По обобщению полученных результатов исследования установлено, что: а) использование технологий прессования кормовых смесей с предварительной, активной сушкой травы в пневмобарабанных сушилках типа АВМ нерационально из-за больших затрат дизтоплива до 350-400 кг на 1 т сухого вещества и электроэнергии более 25 Вт-ч/кг; б) известные в настоящее время устройства для прессования кормовых смесей не позволяют производить прессование кормовых смесей с исходной влажностью более 25 %; в) в качестве формующего органа прессования целесообразно использовать конические головки с каналами прессования направленными под углом к направлению движения корма; г) подачу материала и предварительное его прессование следует осуществлять коническим шнеком с переменным шагом витков, обеспечивающим сглаживание неравномерности входного потока корма; д) обогащение кормовой смеси минеральными добавками целесообразно осуществлять непосредственно в камере прессования в целях снижения неравномерности их смешивания со стебельными компонентами. 3. С учётом сформировавшихся в процессе исследования требований разработана наиболее полная классификация устройств для прессования кормовых смесей и конструктивно-технологическая схема шнекового брикетирующего пресса, включающего коническую формующую головку с наклонными каналами прессования, направленными в противоположную сторону вращения шнека, соко - и газоотводящими каналами и горловину для ввода минеральных добавок. 4. В результате теоретических исследований рабочего процесса прессования кормовых смесей получены аналитические выражения для определения плотности прессуемого материала в рабочей камере брикетирующего пресса, производительности пресса и мощности, затрачиваемой на выполнение процесса прессования. Получены выражения определения: угловой скорости вращения шнека, длины каналов прессования, количества каналов прессования и времени пребывания монолита в канале прессования формующей головки. 5. На основании экспериментальных исследований были получены математические модели процесса прессования кормовых смесей и определены оптимальные конструктивно-режимные параметры, которые равны: - длина каналов формующей головки L=0,065 м; - глубина каналов прессования h=0,012 м; - количество каналов прессования к=б; - угловая скорость вращения со=Зб,бЗ с-1. 6. На основании проведённых экспериментальных исследований установлено, что значительное увеличение производительности пресса происходит при увеличении исходной влажности кормовой смеси свыше 37 % и угловой скорости вращения шнека более 35 с-1, а влажность готовых брикетов соответствует зоотехническим требованиям при исходной влажности кормовой смеси до 38 %. Угол наклона каналов прессования формующей головки необходимо устанавливать в пределах 55-74. 7. Производственные испытания шнекового брикетирующего пресса показали его высокую технико экономичекую эффективность. Использование шнекового пресса позволяет, осуществлять прессование кормовых смесей с исходной влажностью до 38 % и производить заготовку брикетов плотностью 530-600 кг/м3 и крошимостью не более 13 %. Использование шнекового брикетирующего пресса позволяет снизить до 18 % потери питательных веществ кормовых компонентов при хранении, снизить затраты энергии на приготовление прессованных кормов до 13,5 Вт ч/кг. Повысить надёжность функционирования системы кормления в зимне-стойловый период, создав запас прессованных кормов и как следствие, сократить потери продуктивности, связанные с нарушением стереотипа кормления животных. 8. Удельные затраты на производство 1 кг готовых брикетов составляют 0,01 кг условного топлива (0,29МДж). Уровень интенсивности предлагаемой технологический линии составляет 82 %.
