Введение к работе
Актуальность темы. Недостаточная обеспеченность животноводческого поголовья качественными кормами является одной из основных причин низкой продуктивности всех видов сельскохозяйственных животных и птицы. Для высоких привесов требуется обеспечить животных полнорационными смесями. Только 50% фуражного зерна перерабатывается в полноценные комбикорма, а остальная часть скармливается в измельченном виде. Это ведет к перерасходу кормов и неэффективному использованию фуража. При этом около 54% производимого фуражного зерна перерабатывается комбикормовой промышленностью, а оставшаяся часть – перерабатывается в хозяйствах. Как правило, основой комбикормов является покупные БВД и дерти из собственного фуражного зерна. Приготавливаемые смеси не всегда имеют надлежащую равномерность смешивания, а удельные энергозатраты их производства чрезмерно высоки. При этом не обеспечивается потребность мелкого производителя доступными смесительными агрегатами.
Качество смеси определяется точностью дозирования компонентов
и равномерностью их распределения в объеме смеси. Смесители периодического действия, особенно при весовом дозировании обеспечивают надлежащее качество смеси, однако наблюдаются высокие энергозатраты. Смесители непрерывного действия требуют существенно меньших энергозатрат, однако не всегда соблюдается рецептура смеси. Сложен и переход на новый рецепт. Наиболее популярны в данный момент смесители периодического действия. При малом поголовье, в случае дискретного режима работы смесительных агрегатов на основе смесителей непрерывного действия имеется возможность весового дозирования исходных компонентов смеси и их загрузка в наддозаторные бункера. Возможно, получить смесь необходимого объема смесительным агрегатом за кратковременный такт смешивания при высокой производительности дозирующе-смесительных устройств непрерывного действия и малых удельных энергозатратах. Происходит дополнительно усреднение состава смеси за счет накопительных емкостей и последующих перегрузкой. Применение ступенчатого смешивания позволяет снизить энергозатраты и облегчить распределение меньшего компонента в объеме конечной смеси.
В связи с этим, потребность в смесительных агрегатах, способных приготавливать качественные смеси с невысокими удельными энергозатратами неизбежно растет.
Поэтому изыскания и разработка конструкции смесительного агрегата, определение рациональных параметров и режимов работы его дозирующих и смесительных рабочих органов, обеспечивающих снижение удельных энергозатрат, при соблюдении показателей качества нормативам, являются актуальными и практически значимыми для аграрного производства.
Степень разработанности темы. В настоящее время существует множество
конструкций дозирующе-смесительных устройств для приготовления смесей
концентрированных кормов, отличающиеся по периодичности действия,
конструкции, способу и характеру движения рабочего органа, типу рабочего органа,
характеру взаимодействия компонентов смеси, и многим иным критериям,
однако, несмотря на конструктивные различия, большинство серийно-выпускаемых
устройств для изготовления смеси подразделяются на непрерывного
и периодического действия и не рассчитаны на мелкотоварное животноводческое производство. Разработка смесительного агрегата для хозяйств с малым поголовьем животных, отвечающего современным требованиям и экономической эффективности с пониженными энергозатратами является актуальной.
Значительный вклад в исследование вопроса приготовления смесей внесли ученые В.Г. Артемьев, Д.Н. Азиаткин, М.А. Васильева, С.М. Ведищев, Х.Х. Губейдулин, А.П. Иванова, Ю.М. Исаев, В.Г. Коба, В.В. Коновалов, В.И. Курдюмов, А.А. Курочкин, В.С. Мальцев, Г.С. Мальцев, Л.В. Межуева, В.А. Мухин, В.Ф. Некрашевич, В.В. Новиков, Ю.В. Пахомов, В.Ф. Першин, П.А. Савиных, В.И. Сыроватка, В.И. Сысуев, Ю.Т. Селиванов, Н.П. Тишанинов, Н.О. Чилингарян, А.В. Чупшев и другие. Анализ современного состояния вопроса показал, что процесс приготовления смесей недостаточно изучен, основные работы выполнены в области обоснования рабочих органов конкретной конструкции. Однако до настоящего времени вопрос снижения энергозатрат при приготовлении смесей с обоснованием конструктивных и режимных параметров смесительного агрегата с комбинированными спирально-винтовыми рабочими органами является недостаточно исследованным и требует новых решений.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, тема № 1 «Разработка энергосберегающих технологий и технических средств механизации и технического сервиса машин в АПК», раздел № 2 «Разработка технических устройств для приготовления сухих концентрированных кормов в условиях сельскохозяйственных предприятий».
Цель исследований – снижение энергозатрат на смешивание сухих
концентрированных кормов с обоснованием конструктивных и технологических
параметров комбинированных спирально-винтовых рабочих органов
смесительного агрегата.
Задачи исследований:
-
Разработать перспективную конструктивно-технологическую схему смесительного агрегата концентрированных кормов с комбинированными рабочими органами и структурную схему его исследований.
-
Аналитически выявить закономерности влияния конструктивных и кинематических параметров питателя и смесителя концентрированных кормов на количественные, качественные и энергетические показатели их работы.
3. Создать опытный образец смесительного агрегата концентрированных
кормов, разработать методику его экспериментальных исследований
и экспериментально определить существующие функциональные зависимости,
рациональные числовые значения конструктивных, кинематических
и технологических параметров смесительного агрегата.
4. Провести исследования опытного образца смесительного агрегата
в производственных условиях и выявить технико-экономические показатели
использования результатов его исследования.
Объект исследований – технологические процессы подачи основного компонента смеси и смесеобразования сухих концентрированных кормов.
Предмет исследований – количественные, качественные и энергетические
показатели массовой подачи (производительности) и смешивания
концентрированных кормов.
Научную новизну представляют:
- теоретическое обоснование геометрических параметров сегмента корма
в спирально-винтовом конвейере, массовой подачи (производительности)
и потребляемой мощности спирально-винтовыми рабочими органами питателя
и смесителя, энергозатрат смешивания и потребных массовых подач компонентов
в смесительном агрегате;
- конструктивно-технологическая схема и конструкция смесительного агрегата
с применением комбинированных спирально-винтовых рабочих органов,
осуществляющих подачу и смешивание концентрированных кормов;
- функциональные статистические зависимости влияния конструктивных
и кинематических параметров питателя (/количество спиральных лопастей
ворошителя, частота вращения рабочего органа, расстояние между прутками сетки/
на показатель качества потока, ширину потока, массовую подачу корма, соотношение
массовой подачи к ширине потока, затраты мощности и удельные энергозатраты)
и смесителя (/количество спиральных лопастей мешалки, частота вращения рабочего
органа, доли контрольного компонента и производительность/ на неравномерность
смеси, затраты мощности и удельные энергозатраты);
- рациональные значения конструктивных, кинематических и технологических
параметров экспериментального смесительного агрегата, влияющих
на его производительность и мощность, неравномерность смеси и удельные
энергозатраты смешивания компонентов смеси;
- оценочные показатели качества приготавливаемой смеси концентрированных кормов.
Новизна технического решения подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение №2616641, № 2630712, № 2633893 и полезную модель №180118.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическую значимость работы составляют полученные зависимости по определению энергозатрат приготовления смесей концентрированных кормов смесительным агрегатом с комбинированными рабочими органами; уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь конструктивных и кинематических параметров устройства (количество лопастей и частота их вращения питателя и смесителя), технологических режимов работы (доля меньшего компонента и техническая производительность смешивания кормов агрегатом) и показателей качества смеси, затрачиваемой мощности и удельных энергозатрат.
Практической значимостью применения разработанного смесительного агрегата является снижение энергозатрат приготовления смеси концентрированных кормов, с обоснованными рациональными параметрами конструкции, на 78% по сравнению с серийно-выпускаемым дозирующе-смесительным агрегатом АДС-1.
Реализация результатов исследований. Разработанный смесительный агрегат внедрен в ИП Глава КФХ Лисенков Денис Николаевич Пензенской области.
Методология и методы исследований.
При решении поставленных задач использовались теоретические (изучение, обобщение, анализ, синтез, сравнение и описание) и экспериментальные (опыт, наблюдение, измерение, описание, сравнение, анализ) методы. Теоретические методы основывались на известных принципах механики твердых тел, а также математического анализа. Экспериментальные методы использовались при проведении исследований в лабораторных и производственных условиях с использованием теории полнофакторного эксперимента и математической статистики, а также на основе действующих ГОСТов и общепринятых методик. Обработка данных осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ Statistica 5.5, Mathcad 14, Microsoft Excel.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
теоретические выражения по определению удельных энергозатрат приготовления смеси, массовой подачи и мощности на смешивание компонентов смеси;
конструктивно-технологическая схема и конструкция смесительного агрегата с комбинированными спирально-винтовыми рабочими органами;
- эмпирические зависимости влияния частоты вращения, количества лопастей
рабочего органа питателя и смесителя, параметров сетки выгрузного отверстия питателя,
доли меньшего компонента смеси, технической производительности смесителя
на качество смеси, мощность и энергозатраты смешивания компонентов смеси;
- численные значения показателей экспериментальных исследований разработанного смесительного агрегата с комбинированными спирально-винтовыми рабочими органами, полученные в лабораторных и производственных условиях, и эмпирические зависимости удельных энергозатрат на смешивание, с целью установления обоснованных рациональных конструктивных и кинематических параметров (частота вращения и количество лопастей рабочих органов питателя и смесителя, параметров сетки выгрузного отверстия питателя) и технологических параметров (доли меньшего /контрольного/ компонента и технической производительности смесительного агрегата).
Степень достоверности и апробация результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
обеспечиваются сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов исследований и обработки экспериментальных данных, а так же применением средств измерений, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.
Апробация результатов исследований подтверждается участием
в Международной научно-практической конференции «Научно технический прогресс
в сельскохозяйственном производстве» НПЦ НАН Беларуси по механизации
с/х в г. Минск в 2011 и 2013 г.г., научно-практической конференции «Повышение
эффективности использования ресурсов при производстве с/х продукции – новые
технологии и техника нового поколения для растениеводства
и животноводства» г. Тамбов в 2011 и 2013 г.г., Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в пищевой промышленности и агропромышленном комплексе» Пензенский институт технологий и бизнеса (филиал) ФГОУ ВПО "МГУТУ" г. Пенза 2011 г., на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях проводимых в ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ с 2011 по 2016 г.г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 23 печатных работы, в том числе 4 статьи в изданиях по «Перечню...ВАК». Без соавторов опубликовано 4 статьи. Получено 3 патента РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель. Общий объем публикаций оставляет 5,6 п.л., из них 2,4 п.л. принадлежит автору.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 164 наименований. Общий объем диссертации составляет 144 с. без приложений, 4 таб. и 71 рис.