Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования
1.1. Значение кормов, обогащенных жиром 7
1.2. Актуальность заготовки гранулированных кормов, обогащенных жиром 10
1.3. Развитие прессования кормов 11
1.4. Технологии и средства механизации гранулирования кормов 13
1.5. Анализ исследований процесса гранулирования зубчатыми колесами 19
1.6. Цель и задачи исследования 27
2. Анализ процесса гранулирования смесей кормов, обогащенных растительным жиром
2.1. Технологические предпосылки гранулирования смесей на основе отходов подсолнечника 29
2.2. Анализ закономерностей уплотнения кормов 31
2.3. Определение кривизны поверхности пуансона и упора для достижения равноплотности гранулы 38
2.4. Обоснование параметров рабочего органа 44
2.5. Энергоемкость процесса гранулирования зубчатыми колесами 51
2.6. Объем впадины между зубьями и обоснование способа оптимизации её параметров 57
2.7. Момент сопротивления вращению колес, мощность привода и энергоемкость 59
Выводы 64
3. Программа и методика экспериментального исследования
3.1. Программа исследования 66
3.2. Методика исследования физико-механических свойств и химического состава отходов масло семян подсолнечника 67
3.3. Методика определения коэффициента трения исходного сырья, кормовой смеси и жирообогащенных гранул 70
3.4. Методика определения соотношения компонентов в гранулах 71
3.5. Методика определения зависимости плотности гранул от давления 72
3.6. Методика определения показателей гранулирования отходов маслосемян подсолнечника зубчатыми колесами 73
3.7. Методика определения прочностных характеристик гранул 76
3.8. Методика оптимизации параметров зубчатых колес 78
3.9. Обработка диаграмм сжатия 80
3.10. Методика измерения мощности, энергоемкости 81
3.11. Методика производственного опыта 83
4. Результаты экспериментального исследования анализ
4.1. Определение физико-механические свойства кормов и кормовых смесей 85
4.2. Технология заготовки гранул из отходов маслосемян подсолнечника 86
4.3. Результаты оценки процентного соотношения компонентов в гранулах, обогащенных отходами маслосемян подсолнечника 90
4.4. Определение параметров уравнения сжатия кормосмеси
4.5. Оптимизация параметров зубьев шестеренного гранулятора для приготовления гранул из отходов маслосемян подсолнечника 96
4.6. Влияние коэффициента высоты головки зуба на показатели процесса сжатия корма 102
4.7. Энергетические показатели гранулирования отходов маслосемян подсолнечника шестеренчатым прессом 107
4.8. Результаты производственной проверки влияния гранул обогащенными отходами маслосемян подсолнечника на продуктивность животных 112
Выводы 113
5. Определение экономической эффективности реализации результатов исследования
5.1. Расчет экономической эффективности применения шестеренчатого гранулятора 116
5.2. Расчет экономической эффективности использования кормовых гранул, обогащенных жиром 126
Общие выводы 130
Литература 132
Приложения 146
- Анализ исследований процесса гранулирования зубчатыми колесами
- Определение кривизны поверхности пуансона и упора для достижения равноплотности гранулы
- Методика исследования физико-механических свойств и химического состава отходов масло семян подсолнечника
- Оптимизация параметров зубьев шестеренного гранулятора для приготовления гранул из отходов маслосемян подсолнечника
Введение к работе
В настоящее время одной из задач животноводства является повышение сохранности поголовья и продуктивности сельскохозяйственных животных для насыщения российского рынка качественными продуктами животноводческой продукции. Успешное решение этой задачи зависит, прежде всего, от развития сельскохозяйственной науки, главным направлением которой является создание прочной кормовой базы. Эта задача может быть решена на основе внедрения кормопроизводственных технологий, не зависящих от природных условий, в том числе производства гранулированных и брикетированных кормов, повышения их качества, разработки рациональных способов заготовки, хранения и использования.
Наряду с наращиванием объемов кормопроизводства большее внимание необходимо уделять обеспечению их сбалансированности по белкам, жирам, минеральным веществам и другим макро- и микро-компонентам.
Ученые доказали и подтвердили на практике высокую эффективность применения гранулированных и брикетированных кормов для сельскохозяйственных животных/7,13,15,36,46,55,85,86,101,77 и др./.
Однако, выпускаемое в настоящее время прессовое оборудование, отличающееся достаточно высокой производительностью в то же время, имеет высокую энергоемкость.
Широкое использование этой технологии зависит от технического совершенства грануляторов, их адаптации к различной рецептуре гранул и особенно жирообогащенных. Поэтому обоснование их конструкции, параметров и режимов работы является актуальной научно-технической задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Федерального Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».
Цель исследования — совершенствование технологии производства жи-рообогащенных гранул из отходов маслосемян подсолнечника, обоснование геометрии и кинематики рабочих органов, обеспечивающих снижение энергоемкости и увеличение удельной производительности шестеренного гранулятора.
Гипотеза - снижение энергоемкости процесса может быть достигнуто за счет изменения конфигурации зуба и впадин, обеспечивающих увеличение удельного объема корма, направленного в канал прессования; смешиванием измельченных отходов маслосемян подсолнечника с зерновыми кормами и последующим гранулированием можно получить гранулы с повышенным содержанием растительного жира и заданным сроком хранения.
Объект исследования — технологический процесс приготовления жи-рообогащенных гранул на основе полевых отходов зерновых и отходов маслосемян подсолнечника шестеренным гранулятором с эвольвентным профилем зубьев прессующих колес.
Основные положения, выносимые на защиту:
зависимости рабочего давления в технологической зоне, плотности кормовой смеси и коэффициента прессования;
параметры зубчатых колес, обеспечивающих снижение энергоемкости на прессование жирообогащенных гранул и режим работы шестеренного гранулятора;
соотношение в гранулах для крупного рогатого скота, обогащенных растительным жиром измельченных зерновых кормов и отходов маслосемян подсолнечника со сроком хранения до 9 месяцев;
результаты производственной проверки применения жирообогащенных гранул в рационах крупного рогатого скота.
Анализ исследований процесса гранулирования зубчатыми колесами
При анализе работ отечественных и зарубежных ученых по технологическим процессам гранулирования кормов было выяснено, что они имеют одинаковую схему. То есть в одной и той же последовательности производят одни и те же операции. Разница лишь в том, что авторы предлагают некоторые усовершенствования различных рабочих органов в связи с потребностью снизить затраты на производство гранулированных кормов.
Существующие технологии гранулирования кормов, как правило, классифицируются по следующим признакам: - по способам формирования и последующей обработки (гранулы формируются сухим или влажным способом с последующим досушиванием); - по составу и назначению (заготовка гранулированных кормов из отдельных компонентов (моно, полнорационные) и кормовых смесей (полнорационные гранулы или поликомпонентные добавки); - по характеру применения и хранения. В соответствии с видом и возрастом животных гранулы изготавливают из более дешевого, но труднообрабатываемого сырья с большим содержанием клетчатки и обогащают различными добавками (мелассой, жирами, БЭВ). При этом исключается возможность выбора отдельных частиц при кормлении. В профилактических целях в гранулы включаются лекарственные препараты /6,59 и др./. Для длительного хранения и использования в течение всего года гранулы изготавливают более прочными и менее прочными для кратковременного хранения или непосредственного скармливания. Общая схема технологического процесса производства гранул (рис. 1.1.) включает подготовительные операции I и собственно гранулирование II. Во всех технологических линиях основным потребителем энергии является процесс уплотнения кормовой массы до заданных размеров и плотности - гранулирование (брикетирование). Исследованиям матричных прессов посвящены работы Вашкявичуса АЛО., Еремченко В.Н./15/, Зленко Н.И./39/, Некрашевича В.Ф./83-86/, Николаева Д.И./88/, Подкользина IO.BY95-97/, Фарбмана Г.Я./117-120/, Хилкова Н.В./121/. Основным достоинством матричных прессов является непрерывный технологический процесс. К их недостаткам относят сравнительно высокую энергоёмкость, интенсивное перетирание кормов, невозможность регулирования плотности получаемых гранул и брикетов и др. В настоящее время разрабатываются матричные прессы производительностью до 5 т/ч на брикетировании и до 1,5 т/ч на гранулировании монокормов и кормовых смесей. После матричных наиболее широкое распространение получили штемпельные прессы. По классификации Особова В.И. /90-92/, они разделяются по конструкции камеры прессования на прессы с закрытой и открытой камерой. Изучением и анализом штемпельных прессов занимались Пусты-гин М.А./103/, Тулинов А.А., Храпач Е.И., Шульга Г.Н./129/ и др. Особов В.И. /90-92/ наиболее полно разработал теорию прессования штемпельными рабочими органами. Недостатками штемпельных прессов, по данным исследований, являются высокая материалоемкость и ограниченная производительность. Энергоемкость их составляет до 80 кВт ч/т/90/. Кроме рассмотренных, известны исследования других рабочих органов уплотнения кормов. Вальцевые рабочие органы, осуществляющие уплотнение материала по принципу прокатки его между цилиндрическими вальцами, исследовались академиками Горячкиным В.П., Долговым И.А., Лазебным А.Ф., Николаевым Д.И. и другими. Голяновский А.В. /22/ проводил исследования транспортерных рабочих органов. При этом энергоемкость процесса прессования растительных материалов ими составляет 1,35 кВт ч/т, что в 2...3 раза ниже, чем наиболее распространенным прессом с поршневым рабочим органом. Процесс прессования сена в брикеты ударным воздействием исследован Задориным Г.И./37/. Эффективность вибрационного приложения нагрузки при прессовании доказана Васильевым Г.К., Киженцевым Н.Н. и Муратовым А./14,47,81/. Известны способы уплотнения кормов сворачиванием в уплотнённые рулоны, скручиванием в жгуты, окатыванием, запеканием брикетов в экструзионную оболочку из зерновой дерти и др. /2,7,19/. Фарбман Г.Л. выделил их в отдельный перспективный тип, совмещающий порционное прессование с непрерывностью процесса /117-120/. Изучению грануляторов с зубчатыми прессующими колесами были посвящены работы Симаки на Ю.А. /109/, Ладыгина Е.А. /59/, Щербины В.И./130-133/и др. На основе проведенного анализа была разработана общая и частная классификации шестеренных грануляторов. На рис, 1.2 представлена общая классификация шестеренных грануляторов, а на рис. 1.3 - частная классификация/117,133/.
Определение кривизны поверхности пуансона и упора для достижения равноплотности гранулы
Обобщенным показателем эффективности работы гранулятора является энергоемкость пресса - Э, которую принято определять по зависимости: где N -мощность привода, необходимая для осуществления процесса гранулообразования, кВт; Q — производительность машины, кг/ч.
Увеличение производительности машин означает использование всех возможных ресурсов конкретной конструкции схемы рабочего органа. Производительность шестеренчатого гранулятора с равновеликими колесами определяется по формуле/133/: где z - количество межзубовых впадин на каждом колесе; Ve4 - объем единичной порции корма, обособленной при образовании замкнутого пространства входящим зубом сопряженного колеса, м; ро — плотность корма в момент образования замкнутого пространства, кг/м3; v - частота вращения колес, Гц. Возможности повышения производительности гранулятора связаны с увеличением объема межзубовых впадин и увеличением плотности корма во впадине к моменту образования замкнутого объема. Объем межзубовой впадины зависит от параметров зубчатого профиля колеса. Плотность корма в межзубовой впадине зависит от соотношения объемов подаваемого корма к колесам и объемов впадин в момент образования замкнутого пространства. Шестеренчатые рабочие органы грануляторов обычно рассматривают как два одинаковых зубчатых колеса с эвольвентным профилем зубьев. Эвольвентный профиль зубьев принимается неизменным, т.к. за колесами сохраняется функция передачи крутящего момента от одного колеса другому. Из параметров зубчатого зацепления в исследованиях фигурирует только модуль. Кроме модуля на геометрию зуба влияет целый ряд факторов, например, характер и коэффициент смещения исходного профиля, коэффициент отклонения межцентрового расстояния, степень заострения головки зубьев и т.д./5,41/. Известны зубчатые грануляторы, у которых функция передачи крутящего момента снята с прессующих колес и передана на рядом расположенную пару приводных колес. Следовательно, для прессующих колес становится необязательным коэффициент перекрытия зацепления, и даже сам профиль боковой поверхности зуба в виде эвольвенты. Рассмотрим возможные отклонения геометрии зуба прессующих колес гранулятора, сохраняя условия эвольвентного характера профиля зуба для двух равновеликих прессующих колес. Задачей анализа является изыскание возможностей увеличения производительности гранулятора. Производительность зубчатого рабочего органа непосредственно определяется количеством кормовой смеси, направляемой в зону сжатия (подачей). Считая насыпную массу кормовой смеси равномерно распределенной по объему, подачу материала можно определить как сумму двух слагаемых: где qi - подача массы за счет сил трения корма о поверхность выступов зубчатых колес, кг/с; оц — подача массы межзубовыми пространствами двух прессующих колес, кг/с. Подача массы за счет сил трения равна/133/ q! = (A-2racos(p) Buyp0j (2.55) где А - межцентровое расстояние, м; га — радиус головки зубьев колес, м; В - ширина колес, м; 1)у- вертикальная составляющая линейной скорости точки на поверхности головки зуба, м/с; Ро — плотность (насыпная масса) кормовой смеси, кг/м3; Ф - угол трения кормовой смеси о цилиндрическую поверхность головок зуба колес. Из анализа выражения (2.55) следует, что подача за счет сил трения может быть увеличена путем увеличения межцентрового расстояния, ширины колес и скорости. Для равновеликих колес, работающих с материалом неизменной исходной плотности, необходимо считать постоянными межцентровое расстояние, ширину колес и плотность (насыпную массу) кормовой смеси. Изменяемыми параметрами останутся радиус головки зуба, угол трения и скорость точки на поверхности головок зуба. Следовательно, для увеличения подачи кормовой смеси за счет сил трения необходимо содействовать увеличению значения угла трения. На поверхности колес кормовая смесь соприкасается с поверхностью металла на площадках головок зуба и с поверхностью кормовой смеси, заполнившей впадины между зубьями (рис.2.7). В общем случае угол трения является приведенным к некоторому промежуточному значению, учитывающему долю контактов по поверхностям стального колеса и корма: где (рх — угол трения кормовой смеси по стали, град; У — площадь контакта кормовой смеси по стали (площадь площадок на диаметре головки зуба), м ; р2 -угол внутреннего трения, град; f2 — площадь контакта кормовой смеси по кормовой смеси во впадинах между зубьями, м2. Подача материала межзубовыми пространствами зависит от соотношения объема впадин и объема зуба, диаметра головок и диаметра впадин зуба. Можно с достаточной для первичной оценки точностью считать, что объем самих зубьев равен объему впадин. Поэтому количество рабочей смеси, которое рабочий орган подаст за один оборот, можно считать равным двойному объему пространства между зубьями за вычетом объема радиальных зазоров между радиусом головки одного зуба и радиусом ножки другого. Объем кормосмеси, заключенный в этом объеме, не учитывается, потому что при вращении колес он не изменяется.
Методика исследования физико-механических свойств и химического состава отходов масло семян подсолнечника
Повторность опытов определялась расчетным путем по трем предварительным результатам и для 0,95 надежности принята 5 кратной.
Взвешивание навесок отходов маслосемян подсолнечника производилось на лабораторных весах ВЛТК-500 с точностью до 0,01 г. Для высушивания брались пять навесок массой 10 г каждая. Выравнивание влажности осуществлялось пропариванием кормовой смеси над кипящей водой в сетчатой форме, последующим определением влажности и досушиванием в сушильном шкафу вместе с отобранными контрольными навесками. Масса навесок постоянно контролировалась взвешиванием на аналитических весах до достижения заданного расчетного значения где то - масса отобранной навески; і - влажность отобранной после пропаривания навески (должна быть больше заданной); і3 - заданная влажность; тр - расчетное значение массы навески, при котором досушивание отходов подсолнечника прекращается. Из выровненных по влажности компонентов приготавливалась кормо смесь и расфасовывалась в герметично закрывающиеся пакеты (рис.3.3). Внутрь пакета вкладывается жетон с номером опыта по плану эксперимента, для которого приготовлена данная порция. Варьирование температуры осуществлялось нагревом подготовленных порций в сушильном шкафу, в котором предварительно устанавливалась заданная температура, контролируемая по ртутному термометру с ценой деления 0,5С. Одновременно нагреву подвергалась и матрица. Объемная масса сырья определялась при помощи метрической пурки ПХ-0,5 и рассчитывалась по формуле Среднее значение объемной массы рассчитывалось из пяти проб. герметичных полиэтиленовых пакетах Гранулометрический состав отходов маслосемян подсолнечника (корзинки, стебли, полова, дробленое зерно) определялся методом механического разбора компонентов /40, 104/. Отбор проб сырья производился из 10-15 мест на различной глубине. Затем материал высыпали на стол, выравнивали, придавая форму квадрата, делили по диагоналям на четыре треугольника, удаляли два противолежащих треугольника и так далее, пока не останется 2 кг (100%). Далее отбирали отходы зерновой и незерновой части подсолнечника, взвешивали навески на тех же аналитических весах и определяли их процентное содержание в общей массе отходов подсолнечника. Коэффициенты трения определяли на экспериментальной установке по определению коэффициентов трения скольжения (рис. 3.4), состоящей из основания 1, наклонной плоскости 2, транспортира 3, электромагнита 4, концевого микровыключателя 5, и электронного блока управления с кнопками «Электромагнит» и «Пуск» /57/. Чтобы избежать появления свободного жира на поверхности гранул отходы маслосемян подсолнечника смешивались с наполнителем. В качестве наполнителя применялись измельченные отходы ячменя или пшеницы. Критерием оценки массовой доли наполнителя была принята сохранность всего масла в грануле, т.е. отсутствие выдавленного жира на поверхность гранулы в процессе прессования. Контроль качества жира в гранулах определяли органолептическим способом в процессе длительного хранения (отсутствие прогорклости). Эксперимент планировался следующим образом. Изготавливались гранулы с содержанием отходов маслосемян подсолнечника (100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30%) для определения границ выделения жира на их поверхности при прессовании. Затем изготавливали партии гранул массой по 1 кг с содержанием отходов маслосемян подсолнечника ниже границы выдавливания жира с интервалом 5% по массе, т.е. 50, 45, 40, 35, 30%. Через 3 месяца хранения проверялось качество жира в гранулах, затем через 6, 7, 8, 9 месяцев. Отсутствие прогорклости жира явилось доказательством приемлемого рецептурного состава гранул для кратковременного (3 месяца) и длительного (до 9 месяцев) хранения гранул. 3.5. Методика определения зависимости плотности гранул от давления Зависимости плотности гранул от давления исследовалась на специально оборудованном гидравлическом прессе ОКС-1671М (рис. 3.6). Лабораторная установка для проведения эксперимента представляет собой пресс с плунжерной приставкой для гранулирования кормовых смесей (рис. 3.7) и измерительной аппаратурой. На схеме лабораторной установки стол 5 показан в положении прессования. При повороте стола на 180 из рабочей фильеры гранула выталкивается, а холостая фильера заполняется смесью и приводится в рабочее положение. Размеры регулировочных шайб 2 позволяют варьировать степенью сжатия на уровнях, предусмотренных факторным экспериментом. Усилие на штоке регулируется в рамках плана редукционным клапаном гидросистемы. Измерительная аппаратура включала усилитель Топаз-2, самопишущий миллиамперметр типа Н359, стабилизатор напряжения, блок питания П-139, набор сопротивлений, образцовый динамометр. Методика исследования процесса сжатия кормов при изменении параметров эвольвентного профиля зуба основывается на принципах геометрического моделирования. Изменяемыми параметрами профиля зуба приняты угол зацепления производящей рейки, модуль зуба, исполнение головки зуба, смещение исходного профиля производящей рейки.
Геометрическое моделирование процесса сжатия корма зубом прессующего колеса заключалось в профилировании зубчатых колес с измененным параметром и на картоне. Смоделированные колеса закреплялись на стенде с соблюдением расчетного межцентрового расстояния (рис.3.8). Площадь очерченных фигур определялась методом взвешивания и пересчетом по эталонному образцу картона.
Оценка процесса сжатия корма и сравнивание вариантов осуществлялись по углу образования замкнутого пространства и изменению площади фигуры под зубом, степени сжатия корма, изменению плотности корма и значению угла, соответствующего началу проталкивания корма в канал прессования.
Оптимизация параметров зубьев шестеренного гранулятора для приготовления гранул из отходов маслосемян подсолнечника
Проведенные исследования показали, что потребление кормов коровами контрольной и опытной групп было на одном уровне. Силос кукурузный животные поедали на 82-85%, сено - на 87-90%, солому, смешанную с силосом, - на 72—75%, гранулированные корма зерновые с отходами маслосемян подсолнечника - полностью. Скармливание коровам опытной группы зерновых гранул и с отходами маслосемян, способствовало увеличению содержания жира в их рационе на 137 грамм, или 31%.
Для выявления влияния гранулированных кормов, обогащенных жиром, на молочную продуктивность дойных коров и качество молока нами проводился учет молока и его жирности у коров опытной и контрольной групп 1 раз в 10 дней.
Показатели молочной продуктивности и качество молока у подопытных коров за уравнительный и основной период опыта представлены в таблице 4.11.
Из данных таблицы видно, что среднесуточные удои и жирность молока у коров контрольной и опытной групп в уравнительный период опыта были практически одинаковы - 11,1-11,3 кг молока жирностью 3,6%. За основной период опыта среднесуточный удой молока у коров опытной группы составил 12,2 кг, что на 1,5 кг или на 13,7% больше, чем у контрольных, жирность молока увеличилась на 0,2 абсолютных процентов. В результате при пересчете молока в 4% жирность, продуктивность коров опытной группы за основной период опыта была выше, чем у контрольной на 157,9 кг, или 19,8%. 1, Усовершенствованная технология гранулирования, включает последовательно выполняемые операции: сбор отходов измельчение, досушивание, смешивание с измельченным наполнителем, различного рода добавками, вторичное измельчение в муку, кондиционирование смеси, гранулированиє, сепарирование, охлаждение и хранение позволяет приготовить жиро-обогашенные гранулы в достаточных для животноводства объемах. 2. Качественные гранулы с приемлемым уровнем прочности получаются с пределом прочности на сжатие в диаметральном направлении от 1,6 до 2,0 МПа и средней плотности гранул от 1000 до 1100 кг/м3. При соотношении основных компонентов в смеси: мука из полевых отходов маслосемян подсолнечника 35- 40%, наполнитель 60% (дробленый ячмень) или 65% (дробленое зерно кукурузы). Для отходов маслосемян подсолнечника соотношение следующее: отходы 20-30%, наполнитель 70% (дробленый ячмень) или 80% (дробленое зерно кукурузы), что позволяет получить с необходимым сроком хранения до 9 месяцев. .3, Удельная объемная подача смеси зубчатыми колесами моделируется регрессионным уравнением второго порядка (4.10 и 4.20), которое позволяет определить рациональное сочетание параметров зубчатого венца: модуль зуба 13 мм, угол зацепления 10, коэффициент смещения исходного профиля зуба равен 0,14-0,18. 4. Зависимость показателей процесса сжатия корма под зубом от коэффици ента высоты головки указывает на целесообразность увеличения торцевой площади головки зуба путем уменьшения высоты головки. Коэффициент высоты головки зуба рекомендуется равным 0,5. 5. Измельченные, досушенные и дробленые отходы подсолнечника позволя ют получить муку с влажностью 13... 14%, с размерами частиц от 1 до 1,5 мм с коэффициентами трения 0,49-0,55 (в покое) и 0,44-0,54 (в движении) пригодную для смешивания. 6. Энергоемкость гранулирования отходов подсолнечника прессом с рекомендованными параметрами зубчатых колес позволяет снизить энергоемкость процесса на 30%, что ниже уровня энергоемкости матричного гранулятора типа ОГМ-0.8 А. 7. Производственные опыты скармливания жирообогащенных гранул показа ли высокую экономическую эффективность их использования: - введение в рацион дойных коров гранулированных кормов, обогащенных жиром, способствует увеличению уровня жира в рационах в 1,5 — 1,8 раза, удоев молока на 13,7% и жирности на 0,2 абсолютных процентов; - введение гранулированных кормов, обогащенных жиром, не оказывает отрицательного влияния на физиологическое состояние животных.
