Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние механизации технологии консервирования плющеного зерна и задачи научных исследований 7
1.1. Зоотехнические требования к плющению, консервированию фуражного зерна и обзор применяемых консервантов 7
1.2. Обзор исследований физико-механических свойств зерна 13
1.3. Анализ технологий приготовления концентрированных кормов 19
1.4. Технические средства для плющения и консервирования фуражного зерна 36
1.5. Задачи научного исследования 50
Расчетно-теоретическии анализ процесса внесения консерванта в плющеное зерно 51
2.1. Теоретические исследования движения частиц потока плющеного зёрна в смесительной камере плющилки 53
2.2. Численный эксперимент по определению вероятности попадания капель консерванта на частицы плющеного зерна при взаимодействии их моделируемых потоков 59
Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1. Программа экспериментальных исследований 72
3.2. Лабораторная установка и методика определения прочностных свойств зерна разных культур и сортов 73
3.3. Приборы, аппаратура и устройства для экспериментальных исследований 77
3.4. Методика исследований 78
3.4.1. Методика исследований показателей процесса плющения, определения влажности и гранулометрического состава готового продукта 78
3.4.2. Методика определения качества работы оборудования для внесения химических консервантов в плющеное зерно 80
3.4.3. Выбор критериев оптимизации, основных факторов процесса плющения и консервации фуражного зерна и методика проведения многофакторных экспериментов 83
3.5. Методика исследований консервирования зерна озимой ржи 88
Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса технического средства для плющенияиконсервирования фуражного зерна ... 92
4.1. Результаты исследований физико-механических свойств зерна различных культур и сортов 92
4.2. Исследования влияния типа и частоты вращения питающего устройства на показатели рабочего процесса усовершенствованной плющилки зерна 102
4.3. Экспериментальные исследования процесса внесения консерванта в поток плющеного зерна ПО
4.4. Исследования плющения и консервирования зерна озимой ржи 116
Испытания и экономическая эффективность плющилки зерна 127
5.1. Приемочные испытания плющилки зерна 127
5.2. Расчет энергетической эффективности плющилки зерна 135
5.3. Экономическая оценка плющилки зерна 138
Общие выводы 142
Литература 144
Приложения 157
- Зоотехнические требования к плющению, консервированию фуражного зерна и обзор применяемых консервантов
- Теоретические исследования движения частиц потока плющеного зёрна в смесительной камере плющилки
- Лабораторная установка и методика определения прочностных свойств зерна разных культур и сортов
- Результаты исследований физико-механических свойств зерна различных культур и сортов
Введение к работе
Основой укрепления и развития отрасли животноводства является создание прочной кормовой базы. В настоящее время доля кормов в себестоимости продукции животноводства составляет 60...75% и основные убытки в сельском хозяйстве обуславливаются высокими затратами кормов в расчете на производство единицы продукции.
Снизить потери корма возможно за счет улучшения их качества, что позволит улучшить их переваримость и усвояемость и обеспечить животных полноценными кормами, сбалансированными по питательным веществам.
Один из способов сохранения питательности и увеличения переваримости зерна - использование технологии плющения и консервирования зерна, хранение его в герметичных башнях и траншеях после обработки химическими консервантами.
При использовании технологии плющения влажного зерна уборка осуществляется тогда, когда зерно достигло наибольшей питательности, которая по мере высыхания даже на корню в дальнейшем уменьшается за счет испарения вместе с влагой некоторой части самых легкорастворимых питательных веществ. Высокая питательность достигается за счет того, что в это время в составе содержащихся в зерне углеводов до 15 % от сухого вещества составляют сахара и до 60 % - крахмал, а сырая клетчатка представлена преимущественно хорошо перевариваемыми формами; в составе белков отмечается высокий удельный вес водо- и солерастворимых фракций.
Также применение технологии плющения зерна ранних стадий спелости позволяет на 2...3 недели раньше обычного начинать уборку урожая; что дает возможность выращивать более поздние и урожайные сорта зерновых культур. При этом погодные условия не оказывают решающего значения при заготовке кормов, не требуется сушка зерна; отсутствует необходимость дробить зерно после сушки.
Технология плющения влажного зерна предусматривает внесение консервантов, позволяющих блокировать развитие плесневых грибков и вредных микроорганизмов, а также обеспечить минимальные потери в процессе хранения, что приведет к повышению качества получаемого корма.
Использование технологии плющения зерна обеспечивает снижение затрат на хранение на 20.. .30% и повышение привесов животных на 5.. .10%.
Таким образом, дальнейшее совершенствование рабочего процесса существующих конструкций плющилок зерна и разработка новых по-прежнему остается актуальной задачей.
Целью работы Совершенствование рабочего процесса технических средств плющения и консервирования фуражного зерна.
Научную новизну работы составляют:
конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна (патент РФ на изобретение № 2268775 МПК7 В 02 С 4/02, патент РФ на полезную модель № 48817 МПК7 В 02 С 4/00);
алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;
- математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-
технологические параметры и режимы работы технического средства для
плющения и консервирования фуражного зерна;
- результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и ее
экономическая эффективность.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанного технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна в кормопроизводстве, позволяющего плющить зерно различной влажности с одновременным внесением консерванта.
Исследования плющения и консервирования зерна озимой ржи позволяют за счет применения предложенного рациона кормления КРС снизить затраты на производство продукции животноводства
По результатам исследований разработана конструкторская и техническая документация и изготовлен опытный образец плющилки зерна.
Проведены приемочные испытания плющилки в производственных условиях Федеральным государственным учреждением "Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция" в СПК "Красная Талица" Кировской области.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских
работ ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н. В. Рудницкого (тема 02.04.02 с Россельхозакадемией, номер государственной регистрации 01970007280). На защиту выносятся следующие основные положения:
- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема
технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;
- алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и
взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере
плющилки;
математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;
результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и его экономическая эффективность.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: ФГУ ВПО Вятская ГСХА (2004...2007 г.г.), ГНУ ВИЭСХ (Москва 2006 г.г.).
Основное содержание диссертационной работы изложено в 16 научных публикациях, в том числе патенте РФ на изобретение и патенте РФ на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 171 страницу, 37 рисунков, 31 таблицу, 7 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю академику Россельхозакадемии, доктору технических наук, профессору В.А. Сысуеву, доктору технических наук, профессору П.А. Савиных и доктору технических наук, доценту А.В. Алешкину, кандидату технических наук Одегову В.А., кандидату технических наук Н.А. Чернятьеву, принимавшим участие в работе на различных ее этапах.
Зоотехнические требования к плющению, консервированию фуражного зерна и обзор применяемых консервантов
Процессы роста, развития и нормального функционирования всех систем организма животного сопровождаются определенными затратами энергии и питательных веществ, источником которых являются корма. Эффективность кормления обуславливается соответствием физико-механических свойств и содержания питательных веществ в используемом корме потребностям животных [54, 71]. Используемые технологии приготовления кормов для различных групп животных должны обеспечивать получение готового продукта, отвечающего зоотехническим требованиям соответствующих стандартов [25,26,27,28,29].
При использовании технологии плющения и консервирования зерна фуражного назначения необходимо обеспечить соответствие требованиям качественных показателей двух процессов - плющения и консервирования.
Экспериментально установлено, что в основе метода плющения лежит фактор интенсивных фазовых переходов рассредоточенной влаги зерна. Энергии фазовых переходов достаточно как для изменения структурной организации зерна, так и для физико-химических преобразований в его компонентах -крахмале, белке, клетчатке [11]. В процессе плющения зерна значительно увеличивается общая поверхность, что способствует улучшению процесса пищеварения животных. При этом также разрушается оболочка, которая препятствует воздействию пищеварительных ферментов на частицы корма. Экспериментальные исследования [63] показали, что переваримость плющеного ячменя на 25...33% больше, чем целого. При этом разные зерновые культуры существенно отличаются структурно-механическими свойствами [64].
Получаемый в процессе плющения продукт должен соответствовать ряду требований. Хлопья должны быть равномерны по толщине, средневзвешенная толщина хлопьев должна быть не менее 0,3 мм (РД 10.19.2.-90), содержать минимальное количество крошки и пылевидной фракции[24]. В ТУ 8-22-39-88 "Хлопья ячменные и перловые" указано предельно допустимое содержание крошки для ячменных хлопьев 6% и для перловых 8%. Ромалийским B.C. [104] использовано при разработке исходных требований на плющилки зерна для оценки качества готового продукта принята абсорбционная характеристика хлопьев, которая определяется как отношение количества воды, абсорбированного 100 граммами зерна, в 200 граммов воды при смешивании в течение 10 мин, к количеству сухого вещества, содержащегося в зерне. Максимальная переваримость достигается при кормлении животных плющеным зерном с абсорбционным числом 0,8...1,0. [127]. К тому же абсорбционное число характеризует способность получаемого в процессе плющения продукта поглощать и удерживать на своей поверхности жидкие и газообразные вещества, что оказывает существенное влияние на процесс обработки плющеного зерна консервантами. Сущность метода химического консервирования влажного зерна фуражного назначения заключается в том, что оно покрывается тонким слоем консерванта, который предотвращает развитие микроорганизмов и самосогревание. Основными требованиями к выполнению технологических операций внесения и смешивания консерванта с зерном являются следующие: точное дозирование консерванта, равномерный поток зерна в плющилке, тщательное перемешивание консерванта с зерном. При снижении дозы внесения не обеспечивается консервирующего эффекта, а при передозировке значительно удорожается технологический процесс [99]. Необходимость высокой равномерности распределения консерванта обусловлена тем, что необработанное зерно не только само плесневеет, но и становится причиной порчи обработанного зерна. . Несмотря на преимущества химического консервирования кормов в сельскохозяйственное производство его внедряют крайне-медленно. Основные при 9 чины, сдерживающие широкое применение консервантов - недостаточный ассортимент и производство, отсутствие материально-технической базы для приема, хранения, транспортировки, а также средств механизации для внесения их в корм. Используемые в настоящее время в Северо-Западном регионе РФ химические консерванты импортные (таблица 1.1). Это в основном смеси на основе муравьиной кислоты: AIV, Ammofor и Promir с добавлением пропионо-вой кислоты до 20%. При использовании в качестве консервантов различных органических кислот и их производных наблюдается опасность для обслуживающего персонала, так как по технологическим причинам процесс внесения консерванта проводится в хранилище, что создает повышенную концентрацию паров кислот в зоне работы. В настоящее время в научно исследовательских учреждениях у нас и за рубежом проводят исследования по изысканию и разработке новых препаратов, обладающих хорошим консервирующим действием и менее агрессивных. В ГЕУ «СЗНИИМЭСХ», ООО «Биоторф» разработан биологически активный консервант Биоторф-600 на основе молочно-кислых бактерий. Также из отечественных препаратов наиболее эффективны СБАН, КУ, КП (ВИЖ, ВНИ-Инфтехим), Эстер-3, КС-3 (Эстонский институт животноводства), изобутират аммония СДК-1 (Леннефтехим, НИКПТИЖ), АСК (институт физиологии растений и генетики АН УССР) и др.
Теоретические исследования движения частиц потока плющеного зёрна в смесительной камере плющилки
На показатели рабочего процесса плющения, такие как энергоемкость процесса и производительность, качество готового продукта, значительно влияют физико-механические свойства зерна. Исследования физико-механических свойств кормовых материалов и соответствующие методики приведены в работах [1,67,68,112,116].
В НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого были проведены исследования физико-механических свойств зерна ячменя сорта "Биос 1", ржи сортов "Снежана", "Кировская 89", "Фаленская 4" и "Дымка", пшеницы сортов "Ирги-на", "Приокская", овса - "КСИ- 13", "КСИ-15" (пленчатые), "КСИ-26", "КСИ-32" (голозерные) и гороха - "Лучезарный" и "Северянин". Для этого из зерновки вырезался образец в форме прямоугольного параллелепипеда и, при помощи микрометра МК 0-25 мм, определялись его размеры. Испытания проводились на установке (рис. 3.1 а) по методике [1,74], которая состоит из кронштейна 9, закрепленного на основании 4, штока 10, ручки 11 привода винтового механизма, сменного стержня 8 с закрепленным на нем индикатором 1 (ИЧ 0-10 мм), предметного столика 2, имеющего три ножки 7, которые опираются на упругий тонкий металлический диск 6 с наклеенными на него четырьмя тензорезисто-рами 3. Диск 6 свободно установлен на основании 4 через втулку 5, что позволяет ему свободно изгибаться. Электрическая схема включения прибора приведена на рисунке 3.1 б. Тензорезисторы Rl - R4 включены по мостовой схеме. В одну диагональ моста включен источник постоянного напряжения ИП. Другая диагональ подключена к усилителю У, с выхода которого усиленный сигнал поступает на мультиметр V, работающий в режиме цифрового вольтметра. На рисунке 3.2 приведен общий вид установки.
Испытания проводились следующим образом. Испытуемый образец помещался на предметный столик 2 под стержень 8 с плоским торцом. Стержень при помощи ручки 11 подводился вплотную к образцу. В этом положении перемещением кронштейна крепления индикатора 1 по стержню 8 и регулировкой шкалы устанавливали стрелку индикатора на нулевую отметку. Также фиксировались показания напряжения на экране мультиметра (смещение нуля).
При вращении ручки 11 стержень 8 опускался, сжимая тем самым образец. Усилие через ножки 7 столика 2 передавалось диску 6, изгибая его. Величина деформации регистрировалась тензорезисторами и, на индикаторе мультиметра отображалось число (напряжение), пропорциональное усилию сжатия. Показания напряжения записывались через каждые 0,05 мм деформации через каждые 0,05 до конца его сжатия, отображаемой стрелочным индикатором 1. Сжатие производилось до момента разрушения образца, соответствующего максимальному пределу чувствительности тензорезисторов.
Полученные значения усилий принимались с учетом смещения нуля. Для пересчета показаний мультиметра в прилагаемые усилия предварительно была проведена тарировка прибора. Для этого центр предметного столика последовательно нагружался грузами, и фиксировались показания мультиметра U, В, для каждой массы т, кг, после чего был построен тарировочный график (рис. 3.3), при помощи которого рассчитывались значения усилий сжатия.
Лабораторная установка и методика определения прочностных свойств зерна разных культур и сортов
Плющеную рожь раскладывали в герметично закрывающиеся сосуды емкостью 2 л и тщательно уплотняли. В каждый такой сосуд помещалось 1,6... 1,8 кг уплотненного материала. Опыты проводили в двукратной повторности, руководствуясь "Методическими указаниями о проведении опытов по силосованию кормов" [73]. Используемые консерванты: 1. Пропионовая кислота [СН3-СН2-СООН(СзН602)], молекулярный вес 74,08. Желтоватая жидкость с резким запахом, напоминающим уксусную кислоту. Пары этой кислоты сильно раздражают слизистые верхних дыхательных путей и глаз. При попадании на кожу вызывает ожог. Она малотоксична, в небольших дозах необходима для организма человека. Является естественным метаболитом в организме животного. По сравнению с другими ЛЖК значительно активнее подавляет развитие плесени (антигрибковое действие). 2. Муравьиная кислота техническая [НСООЩСН2О2)], метановая кислота, молекулярный вес 46,03, ТУ 6-01-569-76. Содержит 98% основного вещества, 1,5% воды, железа около 0,0006%, толуола около 0,05% и примерно 1% уксусной кислоты. Обладает бактерицидным и особенно фунгицидным действием, широко распространена в природе, образуется и усваивается в преджелуд-ках жвачных животных. 3. Свекловичная патока - побочный продукт свеклосахарного производства. Содержит в своем составе до 52% водорастворимых Сахаров. Используется как присадка при силосовании кормов для благоприятного развития молоч-но-кислых бактерий, продуцирующих молочную кислоту, обладающую консервирующими свойствами. В начале опыта и спустя 3 месяца после консервации были отобраны пробы корма для исследований в лаборатории. Учитываемые показатели: 1. Химический состав зерна и готового корма. 2. Величина рН. 3. Содержание органических кислот. 4. Питательность. 5. Переваримость in vitro. Далее был проведен научно-производственный опыт по изучению влияния скармливания плющеной консервированной пропионовой кислотой ржи, собранной в стадии восковой спелости, на обмен веществ, продуктивность и показатели воспроизводства дойных коров.
Затем зерно плющили в производственных условиях на разработанном опытном образце технического средства для двухстадийного плющения зерна с одновременным внесением консервантов.
При плющении между вальцами устанавливали зазор 0,3...2,1 мм, при этом толщина хлопьев составляла 0,5...2,52 мм. Выход крошки после плющения соответствовал требованиям ТУ 8-22-39-88 "Хлопья ячменные и перловые".
Зерно консервировали пропионовой кислотой в дозе 0,5%, предварительно разведя водой в соотношении 1:3. Затем корм тщательно перемешивали, раскладывали в двойные полиэтиленовые мешки, уплотняли и герметично запаивали.
Исследования по изучению влияния скармливания плющеной консервированной ржи восковой спелости на физиологическое состояние и продуктивность крупного рогатого скота проводили на коровах черно-пестрой голштини-зированной породы первой лактации со среднесуточным удоем 22...25 кг молока и средним весом одной головы 500 кг. Для этого были подобраны две группы животных - опытная и контрольная.
Животные контрольной группы получали основной рацион, концентрат-ная часть которого состояла на 100% из молотого ячменя. Особи опытной группы - основной рацион с заменой 60% ячменя плющеной консервированной озимой рожью. Продолжительность откорма 1 .месяц.
Во время проведения опыта ежедневно учитывали потребление опытного корма и состояние здоровья животных. В начале и в конце эксперимента проводили взвешивание телок и отбор проб крови для биохимического исследования. Отбор проб корма проводили в соответствии с методическими рекомендациями [11,101].
Лабораторные исследования кормов проводили в аналитической лаборатории НИИСХ Северо-Востока и в государственном центре агрохимической службы "Кировский" по утвержденным методикам. Кровь животных, участвующих в опыте, исследовали в Оричевской ветеринарной лаборатории. Ток-ско-биологическое исследование плющеного зерна до консервирования методом на инфузориях колпода проводили по ГОСТ 13496.7-97 в Кировской областной ветеринарной лаборатории.
Анализировали данные лабораторных исследований, руководствуясь справочником по контролю кормления и содержания животных [108] и методическими рекомендациями [101].
Результаты исследований физико-механических свойств зерна различных культур и сортов
При этом изменение влажности с 16 до 20% способствует значительному, с 5,3 до 4,6 кВт ч/т, снижению энергозатрат. Последующее увеличение влажности до 24% приводит и к росту энергозатрат до 5,0 кВт ч/т, что обуславливается увеличением упругих свойств зерна. Увеличение влажности до 30% обеспечивает рост пластических свойств материала и, как следствие, снижение затрат энергии на процесс плющения до 4,4 кВт ч/т.
При плющении овса также наблюдается рост энергозатрат до 5,0 кВт ч/т при увеличении влажности до 24%. В отличие от процесса плющения ячменя вследствие большей пластичности овса, затраты энергии при плющении зерна малой влажности (16%) значительно ниже - 4,3 кВт ч/т, увеличение же влажности до 20%) приводит не к уменьшению энергозатрат, а к небольшому росту -до 4,4 кВт ч/т. Наименьшие (3,9 кВт ч/т) затраты энергии на процесс плющения соответствуют влажности 30%. Достаточно высокие затраты энергии на процесс плющения овса, несмотря на большую мягкость и пластичность зерна данной культуры, обусловлены тем, что овес является пленчатой культурой и энергия тратиться не только на деформацию самой зерновки, но и на разрушение оболочки.
Увеличение влажности с 16% до 30% при плющении зерна ржи приводит к постепенному снижению затрат энергии на процесс плющения с 3,9 до 3,2% кВт ч/т, причем интенсивность снижения затрат при увеличении влажности с 16 до 20% несколько выше ( с 3,9 доЗ,5 кВт ч/т), чем при увеличении влажности до 24% и до 30%) (до 3,4 кВт ч/т и 3,2 кВт ч/т, соответственно). В целом затраты энергии на процесс плющения зерна ржи значительно меньше чем на плющение овса и ячменя, а увеличение влажности до 24%) не приводит к росту энергозатрат, что подтверждает вышепредставленные результаты исследований прочностных свойств зерна ячменя, ржи и овса разных сортов.
Исследования влияния типа и частоты вращения питающего устройства на показатели рабочего процесса плющилки зерна
В НИИСХ Северо-Востока им Н.В. Рудницкого разработана конструктивно-технологическая схема плющилки зерна, обеспечивающая получение готового плющеного продукта за счет использования процесса двухступенчатого плющения зерна гладкими вальцами [87]. В данной конструкции плющилки осуществляется процесс дозирования зерна с помощью верхнего основного вальца, над которым установлен загрузочный бункер. Верхний основной валец, при вращении, дозирует материал и участвует в процессе плющения, а криволинейная направляющая пластина позволяет обеспечивать равномерный однослойный ввод материала в рабочую зону плющения со скоростью слоя близкой к скорости основного вальца и тем самым улучшить условия захвата материала основным и боковым вальцами.
В результате предварительных испытаний проведенных Федеральным государственным учреждением "Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция" было установлено, что зависание влажного материала в бункере плющилки приводит к нестабильной подаче в зону плющения и соответственно к изменению пропускной способности, что в свою очередь приводит к неравномерности внесения консерванта, его перерасходу и ухудшению качества готового продукта. Для обеспечения качественного взаимодействия потоков зерна и консерванта поток зерна должен быть однослойным и равномерным. Получаемые зерновые хлопья должны хорошо впитывать попавший на них консервант и обеспечивать высокую переваримость и усвояемость корма. Основными показателями качества готового продукта являются коэффициент абсорбции (показатель, характеризующий способность материала поглощать своей поверхностью и удерживать жидкие и газообразные вещества и, соответственно, влияющий на качество обработки плющеного продукта консервантом), а также средняя толщина хлопьев. На них сильное влияние оказывает равномерность подачи зерна в зону плющения. Поэтому для обеспечения стабильности и равномерности подачи зернового материала различной влажности и засоренности в конструкцию плющилки зерна было добавлено питающее устройство (рис. 2.1). Проведены исследования по определению влияния типа и частоты вращения питающего устройства на коэффициент абсорбции, среднюю толщину хлопьев, а также на пропускную способность плющилки и энергозатраты [42]. В качестве питающего устройства были использованы лопастной питатель, шнековый питатель и питающий валец с канавками, выполненными по винтовой линии (рис. 4.4). Исследования проводились на зерне ячменя влажностью 18 %. Диаметр вальцов равнялся 275мм, а окружная скорость вальцов составляла 6,5 м/с (как наиболее оптимальные по проведенным ранее исследованиям) [87]. Ширина вальцов равнялась 400 мм. Межвальцовый зазор первой ступени -1,5 мм, межвальцовый зазор второй ступени 0,3 мм были приняты исходя из получения хлопьев средней толщины 1,2...1,5 мм при работе плющилки без питающего устройства. Частота вращения питающего устройства изменялась в диапазоне 50... 150 мин"1.
