Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение населения продуктами животноводства. Современные условия требуют высокой отдачи животноводческой отрасли при минимальных материальных затратах. Однако уровень механизации технологических процессов в животноводческих хозяйствах России не отвечает предъявляемым требованиям.
Существующее оборудование во многих хозяйствах устарело. Большинство машин для приготовления, транспортировки и раздачи кормов, навозо-удаления, оборудование для доения коров и, особенно, используемые в них вакуум - откачные средства малопроизводительны, энерго - и металлоемки.
Научные разработки практически сведены к решению отдельных, не связанных друг с другом вопросов, нет единой теории взаимодействия полужидких кормосмесей, жидкостей и газов в машинах и устройствах технологических линий. Нет теоретических разработок на основе системного анализа и многокритериальной оптимизации, пригодных к практической реализации, недостаточно новых комплексных технологических и технических решений, связанных с полужидкими смесями, жидкостями и газами в животноводческих предприятиях.
Учитывая изложенное, разработка теории взаимодействия полужидких кормовых смесей, жидкостей и газов с рабочими органами животноводческого оборудования, создание новых технологических и технических решений, многокритериальной оптимизации комплекса оборудования и режимов работы с целью повышения производства высококачественной продукции животноводства при минимальных энерго- металло- и трудозатратах несомненно является важной и актуальной народнохозяйственной задачей.
Исследования выполнены в соответствии с пятилетними планами НИР и ОКР КХТИ им. СМ. Кирова (1970-1980 гг.), Казанской ГСХА (1976-2003 гг.), республиканской программы "Агрокомплекс" (1980-1998 гг.), планами Минсельхозпрода РТ в соответствии с программами "Механизация" (1987 г., 1993-1998 гг.) и "Плодородие" (1987-1990 гг.). С 2000 г. в соответствии с программой ВНИИПТИМЭСХ по проблеме "Разработать системы технологического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов РФ Приволжского федерального округа".
Объект исследования - новые технические средства технологического воздействия на полужидкие, жидкие и газообразные среды в сельскохозяйственном производстве.
Предмет исследования - перемешивание и транспортирование полужидких, жидких и газообразных сред в пульсирующих, механических и струйных устройствах, многокритериальная оптимизация их параметров и режимов работы.
Цель исследований. Разработать теорию взаимодействия полужидких, жидких и газообразных сред в пульсирующі
К'штиичгггт' и гтруиных устное НАЦИОНАЛЬНА» J
оьтЩГиЗ^І
ройствах, разработать методы многокритериальной оптимизации параметров оборудования и технологических процессов, изготовить, исследовать и внедрить новые разработки в сельскохозяйственное производство. Задачи исследований сводятся к следующему.
-
Разработать единый ятя всех технологических процессов приготовления влажных кормосмесей и трубопроводного транспортирования принцип классификации.
-
Разработать теорию взаимодействия полужидких, жидких и газообразных сред с соответствующим оборудованием, в том числе: теорию пульсирующего транспортирования; теорию смешивания механической мешалкой; теорию транспортирующих и смесительных струйных аппаратов.
3. Разработать новые способы смешивания полужидких, жидких и газо
образных сред, их теоретические модели, создать базовый модуль устройства
и способы образования технологических комплексов на базовом модуле.
4. Разработать методы расчета параметров, стационарных и пульсирую
щих режимов работы механических мешалок, а также газо- и жидкостност-
руйных аппаратов.
5. Разработать математические модели пульсирующего транспортирования влажных высоковязких кормосмесей по трубам, процесса смешивания механической пропеллерной мешалкой, смешивания и транспортирования струйными аппаратами, адаптировать модели для проведения оптимизации параметров технических устройств и технологических линий.
-
Разработать современные методы одно- и многокритериальной оптимизации параметров животноводческого жидкостно-газового оборудования и режимов их работы.
-
Экспериментально проверить: достоверность теоретических разработок взаимодействия полужидких, жидких и газообразных сред с соответствующим оборудованием; результаты многокритериальной оптимизации геометрические и режимных параметров оборудования; математические модели транспортирования и смешивания различных сред.
-
Разработать конструкторскую документацию производственных установок смешивания и транспортирования, новых образцов технических средств и технологических линий, изготовить, внедрить их в сельскохозяйственное производство. Скорректировать конструктивные параметры и режимы работы в производственных условиях.
9. Провести технико-экономическую оценку эффективности вновь разработанных технических средств и технологических линий.
Методы исследования. В работе использован математический аппарат с применением векторной алгебры, математического моделирования на ЭВМ, векторной оптимизации. Применен математический аппарат законов механики жидкости и газов, теории вероятностей, теории колебаний.
Экспериментальные исследования проводились согласно разработанным методикам, с использованием теории планирования экспериментов, пьезодат-
чиков, оптических средств измерения пониженного давления, оригинальных лабораторных и крупнотоннажных установок производственного назначения. Научную новизну исследований составляют:
- теоретические закономерности взаимодействия рабочих органов обо
рудования с обрабатываемой или транспортируемой полужидкой, жидкой и
газообразной средой;
- обоснование оптимальных параметров элементов технологических
процессов получения полужидких и жидких смесей смешиванием, стационар
ного и пульсирующего транспортирования полужидких и газообразных сред и
средств механизации для их выполнения, выбор конструктивных параметров
машин и их компоновочных схем размещения в технологических линиях;
аналитические зависимости одно- и многокритериальной оптимизации технических средств механизации технологических процессов сельскохозяйственного производства;
аналитические зависимости определения геометрических и режимных параметров смесительных и транспортирующих машин и устройств, с целью снижения их энергоемкости, материалоемкости и повышения качества конечного продукта;
метод, алгоритм и пакет программ расчета параметров смесительных, дозирующих и транспортирующих машин на ЭВМ на основе многокритериальной оптимизации;
результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров рабочих органов, машин и устройств механизации технологических процессов смешивания и транспортирования в животноводстве;
конструктивные схемы и комплексы машин для получения однородных по составу полужидких, жидких и газообразных смесей и их транспортирования, которые защищены 18 авторскими свидетельствами, 4 патентами и положительным решением на выдачу патента на изобретение.
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты исследований позволили решить проблему разработки и внедрения комплекса машин для механизации трудоемких процессов в животноводстве и близких к нему отраслях сельскохозяйственного производства пониженной энерго - и материалоемкости и повышенной производительности.
Для этого созданы:
менее энергоемкие малогабаритные пропеллерные смесители полужидких кормов горизонтального типа с объемом смесительных камер 1,5; 2,0 и2,5м3 (ПСК-1,ПСК-2иПСК-3);
гидротранспортные установки стационарного действия с диаметром транспортирующего трубопровода 100 мм (ГТУ - 100) и пульсирующего действия с диаметром трубопровода 50 мм (ПГТУ - 50);
пневмотранспортные устройства для перемещения газообразных сред производительностью 0,05: 0.1; 0,2; 0,4 и 0,08 м/с с базовыми водокольце-выми насосами ВВН-3, ВВН-6, ВВН-12, ВВН-25 и ВВН-50 (ВВН-ЗЭ, ВВН-6Э,
ВВН-12Э, ВВН-25Э и ВВН-50Э), а также устройства работающие от пневмо-системы (ГСН-1,5 и ГСН-3).
- высокопроизводительные малошумные струйные смесители жидких
и газообразных сред с объемами смесительных емкостей 50, 75, 100 и 400 м3
(УПАВ - 50Э; УПАВ - 50ЭГ; УПАВ - 75Э; УПАВ - 100Э и УПАВ - 400Э),
устройство обогащения смеси УОПАВ - 25Э;
- приборы для определения параметров стационарного и пульсирующего
движения высоковязких потоков сельскохозяйственных материалов;
Разработанные методы расчета и параметры рабочих органов и машин обеспечивают снижение их энергоемкости на 40 - 55%, материалоемкости в 1,4 - 1,6 раза, повышение производительности труда на 35 - 40%, экономию топлива на 25 - 40%.
Реализация результатов исследовании.
В откормочном производстве свинокомплекса подсобного хозяйства "Энергетик" ПО "КАМГЭСЭнергострой" внедрена автоматизированная линия приготовления и раздачи полужидких кормов. В колхозе "Путь Ленина" Волжского района республики "Марий - Эл" внедрены установки приготовления и раздачи полужидких кормов в свинарниках-откормочниках и свинарниках-маточниках, пропеллерные запарники-смесители в количестве 4 штук.
Установка пульсирующего транспортирования полужидких кормов внедрена в колхозе им. Ленина Апастовского района РТ.
Разработаны, испытаны и серийно выпускаются Бессоновским компрессорным заводом агрегаты ВВН-ЗЭ, ВВН-6Э и ВВН-12Э, агрегат ВВН-50Э освоен Сумским машиностроительным заводом им. М. В. Фрунзе.
На основании проведенных исследований совместно ВНИИкомпрес-сормашем сделано дополнение к ОСТу 26-12-1113-83 "Машины водокольце-вые. Типы и основные параметры", касающихся предвключенных эжекторов.
Установка ВВН-12Э внедрена в производство минеральных удобрений Чернореченского химзавода (г. Дзержинск, Нижегородской обл.).
Струйные смесители жидких и газообразных сред изготовлены и успешно эксплуатируются в предприятиях АО "Сельхозхимия" РТ в количестве 50 штук, в том числе в Лаишевском объединении "Сельхозхимия" РТ - 4 штуки. Рабочая документация на производство струйных смесителей жидких и газообразных сред передана на предприятия АО "Сельхозхимия" Ивановской и Ульяновской областей, а также республики Башкорстан".
Результаты разработок внедрены в учебный процесс КГСХА.
Апробация работы.
Положения работы докладывались на научных конференциях в Казанской государственной сельскохозяйственной академии (1977-2003 гг.), Казанском технологическом университете (1969-1976 гг.), ВСХИЗО (г. Балашиха, Московской обл., 1986-1992 гг.). 4-й и 5-й Всесоюзных научно-технических конференциях по вакуумной технике (г. Казань, 1970 и 1972 г.). 3-й и 4-й Всесоюзных научно-технических конференциях по компрессорному
машиностроению (г. Казань, 1971 г. и г. Сумы, 1974 г.). 7-й Всесоюзной научно-практической конференции по применению средств химизации в сельском хозяйстве страны (г. Клин, 1987 г.), региональной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве" (г. Волгоград, 1988 г.). Всесоюзном научно-техническом семинаре "Улучшение характеристик мобильных с.х. машин" (г. Казань, 1989 г.). 17-й научно-практической конференции "Актуальные проблемы аграрного сектора" (г. Ижевск, 1987г.). Международных научно-технических конференциях (г. Киров, 1998, 2002 г.), (г. Чебоксары, 1998 г.). Научно-практической конференции НПО "Нива Татарстана" (1991, 1996 г.). Международном симпозиуме по машинному доению и переработке молока (г. Казань, 2002 г.). Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (г. Москва, 2003 г.). 3-й международной научно-практической конференции "Автомобиль и техносфера" (г. Казань, 2003 г.). Научно-технических советах министерства сельского хозяйства и продовольствия РТ, технических советах ПО "КАМГЭСЭнергострой", ОАО "Бессоновский компрессормаш", (Пензенская обл.) и ОАО "Ливгидромаш" (г. Ливны Орловской обл.), заседании Ученого Совета академии наук Р Т.
Публикации. Всего опубликовано 151 работа. По теме диссертации опубликовано 83 работы, включая 2 монографии, получено 18 авторских свидетельств на изобретения и 4 патента, а также положительное решение на выдач)' патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем 503 страницы, в том числе 118 страниц приложения. В состав диссертации включены 55 таблиц, 158 иллюстраций, библиографический список, включающий 444 наименования, в том числе 37 на иностранных языках.
