Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 7
1.1 Биологические особенности и кормовая ценность цист артемии 7
1.2 Принципы построения технологического процесса производства комбикормов и премиксов 13
1.3 Существующие конструктивно-технологические схемы комбикормовых агрегатов 25
1.4 Методы анализа технологических схем и оценка эффективности функционирования комбикормовых производств 34
1.6 Технологические характеристики смесителей 44
1.7 Двухстадийное смешивание 47
1.8 Выводы по главе и задачи исследований 48
2 Технологические свойства цист артемии как объекта переработки 50
2.1 Общие замечания 50
2.2 Гранулометрический состав 50
2.3 Фрикционные свойства и сдвиговые характеристики 54
2.4 Насыпная плотность и плотность частиц 63
2.5 Аэродинамические свойства 65
2.6 Выводы по главе 66
3 Математические модели многостадийной подготовки комбикормовой смеси 68
3.1 Постановка задачи оптимизации процесса подготовки комбикормовой смеси 68
3.2 Анализ возможностей стабилизации состава комбикорма в процессе его производства 73
3.3 Теория многостадийного смешивания ингредиентов комбикормов 81
3.4 Выводы по главе 90
4 Экспериментальная проверка возможностей существующего оборудования при приготовлении комбикорма, обогащенного цистами артемии 91
4.1 Общая и частные методики исследования 91
4.2 Методика планирования эксперимента 97
4.3 Результаты экспериментальных исследований 102
4.4 Выводы по главе 108
5 Эффективность использования яиц артемии в составе комбикорма для телят-молочников , 109
5.1 Рост и развитие телят 114
5.2 Интерьерные показатели крови 117
5.3 Показатели естественной резистентности 119
5.4 Возрастная динамика показателей естественной резистентности телочек и бычков 121
5.5 Экономическая эффективность 129
6 Эффективность использования яиц артемии в составе комбикорма для свиней 131
7 Производственные испытания 136
Выводы 141
Предложения производству 144
Список использованной литературы 145
Приложение А 152
Приложение Б , 166
- Биологические особенности и кормовая ценность цист артемии
- Методы анализа технологических схем и оценка эффективности функционирования комбикормовых производств
- Фрикционные свойства и сдвиговые характеристики
- Анализ возможностей стабилизации состава комбикорма в процессе его производства
Введение к работе
Приоритетный национальный проект «Развитие АПК» предусматривает ускоренное развитие животноводства, поскольку замедление темпов экономического роста в сельском хозяйстве во многом происходит из-за отрицательной динамики именно в этой отрасли. Постоянно растет импорт животноводческой продукции, доля которой на рынке мяса составляет 32% [63].
Об отставании России от мирового уровня можно судить, например, по таким цифрам: хотя удой на одну корову достиг 3250 кг, что, тем не менее, в 2,5 раза меньше чем в США и Западной Европе, где этот показатель составляет 8000 кг.
Чтобы увеличить производство животноводческой продукции, необходимо осуществить ряд мер, в числе которых обеспечение животных в полном объеме кормовыми ресурсами, сбалансированными по всем необходимым элементам питания. Важным источником повышения ценности кормов являются различные кормовые добавки, в том числе естественного происхождения. В этом ряду одно из основных мест занимают яйца (цисты) артемии, являющиеся наилучшей белково-витаминной добавкой для комбикормов. Её относительно высокая стоимость требует, чтобы питательная ценность была реализована в полной мере и наиболее рационально. В связи с этим изучение и разработка вопросов, касающихся технологии производства комбикормов с использованием цист артемии и их применения в животноводстве, приобретают большое народнохозяйственное значение.
Данная диссертационная работа выполнялась на протяжении ряда лет согласно плану научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Алтайского ГАУ по теме: «Разработка и обоснование технологий и технических средств производства комбикормов, белково-витаминных добавок и премиксов на основе использования собственного сырья, отходов производства и местных биологически активных компонентов».
Цель исследования — повышение питательности комбикормов путем введения в них цист артемии и получение на этой основе прироста продуктивности сельскохозяйственных животных.
Объект исследования — технология приготовления комбикормов непосредственно в хозяйствах-товаропроизводителях с использованием цист артемии, а также зоотехническая эффективность этого вида корма.
Предмет исследования — зависимости, характеризующие технологический процесс производства комбикормов и отражающие связь между параметрами технологической линии, качественными характеристиками приготовляемых комбикормов и продуктивностью животных.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы системного анализа, математической статистики и теории вероятности, математической теории планирования и проведения эксперимента.
Научная новизна. Научная новизна исследований состоит в следующем:
обоснованы и разработаны математические модели, необходимые для обоснования структуры технологической линии приготовления комбикормов с использованием цист артемии;
изучены технологические свойства цист артемии как продукта переработки;
экспериментально выявлены возможности существующего оборудования для производства комбикормов, включающих цисты артемии;
изучено влияние на продуктивность животных комбикормов, содержащих в своем составе цисты артемии.
Практическая значимость и реализаг\ия результатов работы. Исследования позволяют осуществить в коллективных и фермерских хозяйствах выпуск комбикормов с равномерным распределением в них цист артемии и повысить за счет этого продуктивность животных. Результаты исследований внедрены в ООО ИТЦ «Алтайвибромаш», в учебном процессе Алтайского ГАУ, хозяйствах Бурлинского района Алтайского края.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждены и поддержаны на расширенном заседании кафедры механизации животноводства Алтайского ГАУ в 2006 году, на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы института техники и агроинженерных исследований (2004, 2005, 2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Аграрная наука — производству» (г. Барнаул) в 2006 году.
Публикации результатов исследований. Материалы диссертации вошли в учебное пособие с нашим соавторством, на основе исследований опубликовано четыре статьи.
Структура а объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и практических предложений, списка литературы из 121 наименования. Диссертация изложена на 144 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 27 рисунками, содержит 29 таблиц и 2 приложения.
Биологические особенности и кормовая ценность цист артемии
В странах с интенсивным сельским хозяйством большое значение придается развитию комбикормовой промышленности. В Европейском сообществе она входит в систему производства и распределения сельскохозяйственной продукции. Комбикормовые предприятия тесно взаимосвязаны или интегрированы с фермами, производящими животноводческую продукцию. При низкой окупаемости комбикормов фермерам компенсируют затраты [81].
США — крупнейший в мире производитель комбикормов, даёт около четверти мировой выработки. Эта страна располагает весьма значительными ресурсами сырьевых белковых компонентов для комбикормовой промышленности, в основном это кукуруза и соевый шрот. Немалую роль в кормовых ресурсах страны играют различные виды кормового зерна, а также отходы мясной и молочной промышленности, других перерабатывающих отрас 14 лей АПК, рыбная мука. Доля же зерна в комбикормах составляет около 50 60%.
Комбикормовую промышленность этой страны можно разделить на четыре группы: крупные фирмы, владеющие большим количеством комбикормовых заводов, часто находящихся в составе агропромышленных комплексов (сюда относятся и крупные кооперативы); относительно мелкие фирмы и мелкие кооперативы, владеющие небольшим количеством комбикормовых заводов; мелкие фирмы, имеющие по одному заводу; заводы, принадлежащие откормочным хозяйствам и птицефабрикам.
Комбикормовая промышленность вырабатывает полнорационные комбикорма, которые называют первичными, а также различные белково-витаминные, минеральные и другие добавки, смешивая которые с зерном, фермерские хозяйства вырабатывают так называемые вторичные комбикорма. Первые сбалансированы по всем питательным веществам и могут служить единственным источником корма для моногастричных животных; вторые вырабатываются в основном на небольших заводах и установках непосредственно на фермах по производству молока, говядины, свинины, яиц и мяса птицы. 90% производимых комбикормов являются первичными, остальные— вторичными [9, 81].
В Нидерландах доля зерна в комбикормах для кур-несушек находится в пределах 55%, для свиней — 20%, комбикорм для крупного рогатого скота практически его не содержит. Тем не менее, животноводство этой страны достигло высочайшего уровня и служит примером рационального использования ограниченных кормовых ресурсов [81].
В комбикормах, вырабатываемых российской промышленностью, зерна содержится 70-75%, а в цехах хозяйств — до 85%. Между тем, корма высокого качества окупаются в животноводстве, как минимум, на 25-30% выше, чем скармливание неполноценного фуража. Сопоставление содержания незерновых компонентов в комбикорме нашего производства и зарубежного (США, ФРГ, Франция, Нидерланды) показывает, что некоторые из них в оте 15 чественных комбикормах или совсем не используются или применяются в очень малых количествах.
Конкуренция на рынке кормов постоянно требует поиска новых путей повышения качества комбикормов и снижения производственных затрат. Разрабатываются и реализуются национальные программы увеличения производства кормового белка на базе собственных ресурсов — во Франции, например, за счет повышения урожайности бобовых и масличных культур. Большая роль в решении проблемы белка отводится в этой стране гороху, подсолнечнику, рапсу, люпину белому. Ранее здесь, как и в других странах Европы, недостаток кормового белка покрывался за счет импорта соевого шрота, главным образом, из США. Однако рост цен на него вызвал необходимость дальнейшего развития собственного производства высокобелковых кормов. За последнее десятилетие посевные площади под масличными и бобовыми культурами расширились во Франции в три раза.
В странах с развитым сельским хозяйством большое экономическое значение придается таким источникам кормового белка для производства комбикормов, как рапс. Основные страны-производители — Канада, Индия, Китай.
В Канаде рапсовый шрот в общем балансе высокобелковых добавок составляет 25%. Там же более 98% семян рапса выращивают на основе низ-коэруковьтх сортов. Польша, успешно решая проблему дефицита растительного кормового белка, накопила большой опыт по выведению этих сортов, применению технологий обезвреживания глюкоз и нал атов и методов контроля антипитательных веществ в процессе производства рапсового шрота, максимальному использованию его при кормлении животных и птицы в составе комбикормов [81].
В современных условиях экономное потребление зерна, нормативный его расход в животноводстве приобретает большую остроту. Это диктует необходимость переориентации наших хозяйств и перерабатывающих сырье промышленных предприятий на производство высококачественной энерге 16
тической и белковой кормовой продукции, увеличение выработки сбалансированных комбикормов, используя местное сырье, отходы производства и природные белково-витаминные добавки.
Таким образом, все страны мира изыскивают различные способы обогащения комбикормов, повышения их качества. Одним из направлений в этом может быть использование цист артемии.
При использовании цист артемии в качестве белково-витамииных добавок, возникают те же проблемы, что и при производстве премиксов. Поэтому рассмотрим основные схемы производства премиксов [1, 2, 3, 7, 11, 15, 17, 19, 31, 33, 36, 39,40,47, 48, 49, 50, 53, 54, 55, 60, 65, 66, 69, 74, 77, 79, 95, 99,104,110,112,113,116,117].
Для выработки полноценного комбикорма необходимо обогащение его комплексом специальных добавок и биологически активных веществ. Обогащение комбикормов биологически активными веществами позволяет снизить расход кормов на единицу привеса, лучше использовать питательные вещества корма и увеличить существующие привесы.
Данные о высокой эффективности препаратов биологически активных веществ, развитие промышленности по их производству создали возможность для широкого одновременного введения в комбикорма от трех до двадцати и более препаратов. Для их равномерного распределения по всей массе комбикорма необходимо создание предварительной смеси, названной пре-м иксом.
Методы анализа технологических схем и оценка эффективности функционирования комбикормовых производств
По мере развития комбикормовой промышленности в результате нового строительства, а также из-за многократных модернизаций и реконструкций в эксплуатации оказалось большое число предприятий с различными типовыми и индивидуальными технологическими схемами, оценить которые однозначно не всегда просто. Постепенно пришли к выводу, что технологические схемы комбикормовых заводов и цехов могут быть объектами специального исследования [112, 113, 116].
Исследование технологической схемы означает переход от ее графического изображения, фиксирующего статическое состояние, к ее работе, т. е. к пониманию динамического действия. В итоге выявляются сильные и, главное, слабые стороны схемы. Просматриваются два основных направления применения таких исследований.
1. Поиск для технологической схемы даже с явными недостатками и упущениями таких режимов работы, которые позволяют получить продукцию стабильного качества при минимуме эксплуатационных затрат и без каких-либо нарушений времени смешивания, пересортицы.
2. Обоснование правильного построения новых технологических схем при проектировании. Можно отметить несколько методов анализа схемы. Самый распространенный, но далеко не лучший -метод экспертного анализа. Он заключается в оценке достоинств и недостатков схемы с позиций опыта анализирующего, сопоставления схем с «Правилами организации и ведения технологического процесса производства комбикормов, белково-витаминных добавок, премиксов и карбамидного концентрата», передовым производственным опытом.
Недостаток такого подхода заключается в субъективизме, что можно в определенной мере компенсировать проведением двух-трех экспертных анализов параллельно и сопоставлением полученных результатов. С позиции системного анализа рассматривают ход технологического процесса другие исследователи, справедливо полагая, что технологический процесс в целом — сложная система с десятками взаимообусло вливающих и влияющих на конечный результат связей. Практических результатов от такого подхода еще следует ожидать. В последние годы разработан метод анализа технологических схем, условно обозначаемый как метод построения циклограмм. В зависимости от конкретных задач отдельные его элементы включают [112,113]: - анализ работы схемы, начиная с передачи сырья в производство (склад силосного типа, элеватор и т.д.), на конкретном виде вырабатываемой продукции (рецептура, размер партии, время на выполнение задания); - хронометрирование продолжительности всех технологических и транспортных операций (для действующего предприятия) либо аналитические расчеты их протекания на основании паспортных и других данных (для проектируемого); - балансовые расчеты с использованием правила кратности; - расчеты материальных потоков, числа завесов-отвесов, времени включения и выключения оборудования, расчет времени окончания технологических операций, возникновения критических ситуаций, входящие в понятие инженерной (технологической) подготовки; - собственно построение циклограмм в реальном масштабе времени на миллиметровой бумаге на глубину 8... 12 ч и более с нахождением всех основных критических точек процесса, нахождением времени начального и установившегося циклов; - анализ полученных циклограмм и расчет по ним продолжительности холостых пробегов и ожиданий, внутрисменных простоев, коэффициентов использования парка дробилок, эффективности загрузки дробилок, времени проведения подготовительных операций; - формулирование задач по совершенствованию технологической схемы, изменению объемно-планировочных решений; - обоснование оптимального режима работы завода (цеха) по данной технологической схеме при выработке продукции по заданным рецептам; - оценка работы смесителей при смешивании предварительных смесей и в линии основного дозирования — смешивания при паспортных режимах, проводимая по расчету коэффициента неоднородности (для действующих предприятий).
Оценивать эффективность построения схем можно по качеству выпускаемой продукции и по производительности предприятия.
От правильного выполнения технологических операций зависит качество конечной продукции, в том числе по нормируемым показателям. Черняев Н.П. предлагает принять для оценки качества выполнения каждой операции какую-либо шкалу [112]. Например, если операция выполнена так, что конечная продукция соответствует показателю стандарта, ей присваивается индекс 1. Если операция выполнена хуже, оценка ее должна непропорционально быстро снижаться. Если чрезмерно тщательное выполнение операции связано с излишним расходом энергии, износом рабочих органов машин, дополнительными трудозатратами и не приводит к росту потребительской стоимости, оценка по шкале не должна возрастать быстро. Возникает особая непропорциональная шкала. При реальном ведении технологического процесса необходимо по каждому нормируемому показателю иметь некоторый запас по параметру (3...5%), с тем чтобы при обычном разрегулировании процесса обеспечить все же выполнение этих показателей.
Фрикционные свойства и сдвиговые характеристики
Эти свойства определяют угол естественного откоса, внутреннее и внешнее трение. Они характеризуют степень сыпучести и подвижности и во многом зависят от формы частиц сыпучих продуктов, шероховатости их поверхности и других факторов. Сыпучий продукт, находясь на горизонтальной поверхности, сохраняет
равновесие, образуя с плоскостью определенный угол, называемый углом естественного откоса. Состояние равновесия сыпучего материала объясняется внутренним трением между частицами, зависящим от формы, влажности и характера поверхности частиц. Угол естественного откоса, при котором наблюдается равновесие сыпучего материала, равен углу внутреннего трения в покое. Это положение верно для материалов без сцепления частиц, т.е. для идеально сыпучего материала.
Мы определяли угол естественного откоса х путем обмеров контуров конуса, образованного путем насыпки материала из воронки при её медленном поднятии вверх. Для цист равновесной влажности w = 6-7% данный угол равен 25±0,5.
Трение в сыпучем материале — явление весьма сложное, зависящее от многих факторов: истинной и насыпной плотности, гранулометрического состава, размеров и формы зерен, внешних нагрузок, влажности, внутренних сцеплений. Величину внутреннего трения обычно выражают коэффициентом внутреннего трения и сцепления с, которые получают из эмпирической зависимости вида [8, 22,24]: т = с + /(У, (2.4) где т — сопротивление сдвигу, Па; а — нормальное давление, Па.
Коэффициент внутреннего трения характеризует трение между частицами материала, обычно возрастает с увеличением его плотности и размера самих частиц и уменьшается с ростом их округлости. Сцепление характеризует сопротивление сырья касательным напряжениям в свободном состоянии (при отсутствии нормальных нагрузок). Сцепление обусловлено наличием между зернами сырья внутренних связей, таких как молекулярное притяжение, поверхностное натяжение пленок воды, коллоидные и другие связи. В связи с этим можно дать определение сопротивлению материала сдвигу как его способность сопротивляться смещению одной его части относительно другой под действием сил внутреннего трения и сцепления (рисунок 2.2).
Испытания на сдвиг проводили следующим образом (см. рис. 2.2). В поставленные одна на другую две обоймы кругового сечения в плане помещали слой цист, и на него передавалась вертикальная сжимающая нагрузка. Затем к верхней обойме прикладывалось горизонтальное усилие Т, которое увеличивали до тех пор, пока оно не вызывало сдвиг одной обоймы относительно другой со срезом слоя по всей плоскости, проходящей по их контакту.
По результатам сдвиговых испытаний построили так называемый график сдвига (рис. 2.3). По оси абсцисс отложили нормальное напряжение а, а по оси ординат — среднее значение в момент среза касательных напряжений гполученных действием сдвигающего усилия Г на площадь среза.
Компьютерная обработка результатов эксперимента позволила получить эмпирическую зависимость между касательными и нормальными напряжениями. г= 0,018 + 0,51 la (2.5)
Как видно, коэффициент сцепления с очень мал, он в 0,511/0,018 « 28 раз меньше коэффициента внутреннего трения. Поэтому внутренним сцеплением цист при равновесной влажности w = 6-7% можно пренебречь, а слой цист отнести к идеально сыпучим материалам.
Коэффициент внутреннего трения щ составил по результатам данных опытов значение 0,51, соответственно угол внутреннего трения 7, = 30.
Как видим, угол внутреннего трения щ оказался в наших опытах больше угла естественного откоса а (30 25). Следует заметить, что существует две противоположные точки зрения относительно того, что больше — угол внутреннего трения или угол естественного откоса [24], и этот вопрос до конца ещё не прояснен.
Полученный в наших опытах результат мы объясняем тем обстоятельством, что при испытаниях на сдвиг, цисты артемии уложены плотно из-за действия пригруза, а поэтому преобладает трение скольжения. В опытах же на получение угла естественного откоса, часть цист может свободно перекатываться по откосу, что и даёт меньшее значение угла а.
Обратимся далее к изучению коэффициента внешнего трения — трения цист о стальную поверхность.
Как известно, коэффициент трения скольжения/в большинстве случаев считается условно постоянной величиной, входящей в закон Кулона: F =fN, (2.6) где F — сила трения скольжения; N — сила нормального давления.
По поводу закона Кулона многие исследователи считают, что трение представляет весьма сложное явление, поэтому законы Кулона имеют только приближенный характер. Часто указывают, что коэффициент трения скольжения зависит от нормального давления а и скорости скольжения соприкасающихся тел V, Иначе говоря, модифицированный закон Кулона нужно записать в виде: F=f(v,c)N, (2.7)
Разделив правую и левую часть этого выражения на S — площадку контакта, получим уравнение в таком виде T=f(v,c0 Tt (2.8) где г— касательные напряжения в слое сыпучего материала, действующие на площадке скольжения. Разлагая функцию f(v, r) в ряд Тейлора в окрестности некоторой точки (центра эксперимента) и удерживая только линейные и квадратичные члены, получим математическое описание в виде некоторого полинома f(x, y) = - b0+bxx + b x2 + bxyxy + byy + b}yy2, (2.9) где x, у — кодированные обозначения факторов v и х
Таким образом, изменяя в процессе эксперимента значения v и т, замеряя каждый раз значение г и подсчитывая величину/ можно оценить значения коэффициентов bo, ..., Ьуу. Опыты проводили на установке, описанной ранее (см. рис. 2.2). При этом использовали одну обойму, установленную на стальную площадку. Скорость скольжения v измеряли посредством тягового механизма (лебедки), двигатель которой запитывался через преобразователь частоты. Изменяя частоту питающего напряжения, тем самым изменяли скорость v движения обоймы с материалом по цельной поверхности. Давление в материале т варьировали с помощью пригруза. Опыт проводили в двукратной повторное, используя методику планирования эксперимента.
Анализ возможностей стабилизации состава комбикорма в процессе его производства
Специалисты по кормлению разрабатывают рецепты комбикормов, сообразуясь с кормовой ценностью, рекомендациями теории и практики науки о кормлении, ценой ингредиентов и другими факторами. Разработанный рецепт должен быть выдержан (с требуемой точностью) при приготовлении комбикорма на существующем оборудовании.
Цисты артемии представляют собой ценную белково-витаминную добавку, причем естественного происхождения. Поэтому задача поддержания требуемого процента ввода цист в комбикорм является актуальной проблемой.
Состав комбикормов зависит, в первую очередь, от точности применяемых дозаторов, принятой технологии приготовления (например, циклический или поточный ритм) и т.д.
Даже если дозаторы не имеют систематической ошибки, их подача имеет неравномерный характер, что обусловлено изменением по случайным законам технологических свойств ингредиентов, питающего напряжения, параметров окружающей среды и т.д.
Для упрощения примем, что приготовляемый комбикорм состоит из двух компонентов. Один из них (х) представляют цисты артемии, ко второму (у) условно отнесем все другие компоненты. Соотношение цист с другими компонентами составляет є = х/у
Для упрощения примем, что случайные воздействия х ну на нашу систему представляют собой не случайные функции, а случайные величины. Сама система представляется безынерционной, т.е. свойства запаздывания не учитываются. Таким образом, выходная переменная є также рассчитывается как случайная величина, а не случайная функция. Такое описание объекта является во многих случаях достаточным для приближенного решения задач управления, к которым, в частности, могут быть отнесены задачи управления качеством выпускаемой продукции, расчеты точности, надежности и другие [5,12,20,27,35,82,83,91].
Именно по коэффициентам вариации подачи оценивается качество дозирования того или иного компонента тем или иным дозатором.
Выражение (3.13) можно записать и в таком виде
Анализируя выражение (3.14), приходим к выводу, что при дозировании цист можем иметь три характерных случая.
1. Случайные величины х и у не коррелированны и поэтому т =0.
Это означает, что дозаторы, подающие цисты и другие компоненты, не связаны друг с другом, т.е. статистически независимы. Для этого случая имеем геометрическое сложение коэффициентов вариаций подач отдельных дозаторов, т.е. v= l + v2y. (3.15)
Из этого выражения видно, что стабилизация состава комбикорма по содержанию цист артемии зависит не только от дозатора, подающего цисты, но и от дозаторов, подающих другие компоненты. Единственный путь попадания величины vs в допустимые рамки, — улучшение характеристик всех дозаторов, т.е. снижение vx и vy. Именно этот случай чаще всего встречается в технологических схемах комбикормовых заводов и цехов.
2. Другим крайним случаем, является чисто детерминированная связь между величинами х и у, что возможно при существовании какой-либо связи (механической, электрической и др.) между дозаторами. В этом случае смешанный второй момент удовлетворяет так называемому равенству Шварца
