Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ объектов исследования и постановка задач 20
1.1 Формализованное описание объекта исследования 20
1.2 Зерновые ресурсы и роль заготовительных элеваторов в решении задач продовольственной безопасности страны 27
1.2.1 Основные показатели производства зерна 29
1.2.2 Площадь и структуры посевов под зерновыми культурами 31
1.2.3 Урожайность зерновых культур 32
1.2.4 Валовой сбор зерна 34
1.2.5 Производство на душу населения, спрос на зерно и рынок 40
1.2.6 Потери зерна и проблемы повышения качества 42
1.3 Анализ состояния технической базы зернохранилищ 46
1.3.1 Группировка зернохранилищ по функциональному признаку 46
1.3.2 Техническая оснащённость зернохранилищ 53
1.4 Методы проектирования элеваторов и организация ведения технологического процесса 56
1.4.1 Традиционные методы 58
1.4.2 Методы математического моделирования 68
1.4.3 Методы оптимизации при проектировании, технической оснащенности и эксплуатации элеваторов 77
Глава 2. Разработка методов прогнозирования поступления объёмов и партий зерна на элеваторы . 81
2.1 Использование закономерностей поступления зерна при обосновании технической оснащённости элеваторов 81
2.2 Прогнозирование объёмов сушки и очистки зерна 94
2.3 Количество и величины формируемых партий зерна 102
2.4 Модель группировки элеваторов по объёму операций с зерном и числу партий 112
Глава 3. Исследование и оптимизация процессов приёмки зерна с автомобильного транспорта и формирования партий 116
3.1 Операции по обслуживанию автомобилей с зерном 117
3.2 Процессы поступления и приёмки разнокачественных партий зерна 130
3.3 Оптимизация состава технологических линий приёмки зерна с автомобильного транспорта 143
Глава 4. Формирование зерновой насыпи в хранилищах; особенности обработки и хранения неоднородных масс 149
4.1 Методика исследования 149
4.2 Исследование неоднородности зерновых масс по влажности 157
4.3 Исследование распределения примесей в зерновых насыпях 158
4.4 Эффект выравнивания зерновых масс при послеуборочной обработке 162
4.5 Эффект выравнивания зерновых масс по влажности и температуре при использовании активного вентилирования 173
4.6 Модель формирования слоев зерновой насыпи из автомобильных партий 185
4.6.1 Исследование процесса формирования слоев насыпи в производственных условиях 185
4.6.2 Моделирование процесса образования слоев в зерновой насыпи 189
Глава 5. Оптимизация технологий сушки и активного вентилирования партий зерна 196
5.1 Организация технологического процесса обработки партий влажного и сырого зерна 196
5.2 Исследование работы сушилок в составе технологических линий 202
5.2.1 Затраты рабочего времени сушилки на переключения с одной партии на другую 204
5.2.2 Установление зависимости между параметрами потока партий зерна и необходимой производительностью сушилок 211
5.3 Оптимизация состава сушилок по производительности 218
5.4 Технология, сочетающая сушку зерна с активным вентилированием (технология «драйаэрации») 220
5.4.1 Исследования тепломассообменных процессов в нагретой зерновой насыпи при активном вентилировании 222
5.4.2 Исследование качества зерна пшеницы 231
5.4.3 Апробация результатов исследований в условиях производства 232
5.4.4 Организация технологического потока при использовании технологии, сочетающей сушку зерна с активным вентилированием 238
Глава 6. Обоснование вместимости зернохранилищ 245
6.1 Определение нормативных значений натуры зерна различных культур 246
6.2 Оперативная ёмкость заготовительных элеваторов 247
6.3 Ёмкости для профилактических работ с зерном 250
6.4 Зерновая ёмкость для раздельного размещения партий зерна 253
6.5 Коэффициенты размещения зерна основных культур 254
Глава 7. Исследование организации разгрузки и погрузки вагонов на элеваторах, обоснование состава и производительности линий 256
7.1 Общие положения и анализ нормативной базы 256
7.2 Исследование работы приёмно-отпускных устройств элеватора 261
7.3 Методика обоснования необходимого количества устройств погрузки и разгрузки железнодорожных вагонов (алгоритм) 269
Глава 8. Методика расчета параметров технологической системы элеватора и её использование при разработке решений технического перевооружения элеваторов и типоразмерных (параметрических) рядов 273
Общее заключение и выводы 293
Библиографический список литературы 297
Приложения
- Зерновые ресурсы и роль заготовительных элеваторов в решении задач продовольственной безопасности страны
- Модель группировки элеваторов по объёму операций с зерном и числу партий
- Оптимизация состава технологических линий приёмки зерна с автомобильного транспорта
- Эффект выравнивания зерновых масс по влажности и температуре при использовании активного вентилирования
Введение к работе
Уровень жизни населения страны, её продовольственная безопасность во многом зависят от состояния и темпов развития агропромышленного комплекса (АПК), в котором производство зерна является приоритетным.
Мировое производство зерна свыше 1,5 млрд. тонн и ежегодно увеличивается примерно на 1 %. Россия в среднем производит 80 млн.т. зерна, то есть около 5% мирового сбора, притом, что на её долю приходится 10% посевных площадей и большая часть черноземов [1, 5, 12, 32, 153, 169].
За счет зерновых и бобовых культур, маслосемян население обеспечивается хлебом, крупами, макаронными и кондитерскими изделиями, растительными маслами, а животноводство, птицеводство и рыбоводство - кормами. Значительное количество зерна используется на технические цели для производства спирта, крахмала и солода. Достаточно сказать, что за счёт хлебопродуктов удовлетворяется почти 40% дневной потребности человека в пище, до 50% в белке и углеводах. С учётом расхода зерна на производство продуктов из животных и птицы его удельный вес в энергетическом содержании пищевого рациона населения составляет 50-г 60%.
Сезонный характер производства, колебания объёма и качества зерна по годам при круглогодичном его потреблении приводит к необходимости создания и хранения значительных запасов.
Здоровое, сухое и очищенное зерно обладает уникальной способностью при благоприятных условиях длительное время сохранять свои природные свойства. Оно защищено оболочками, способно переходить в состояние анабиоза, расходуя на поддержание внутренних физиологических процессов минимальное количество питательных веществ [6, 11, 27, 31, 59, 68, 69, 92, 117, 118,130,271,286].
Исходя из таких основных признаков, как удовлетворение потребности населения необходимыми компонентами пищевого рациона, сравнительно высокая транспортабельность, позволяющая перераспределять зерновые ресурсы между регионами, пригодность к длительному хранению как главному условию создания запасов и резервов, зерно и продукты его переработки имеют
приоритетное значение в продовольственном обеспечении страны. Создание стратегических запасов зерна обеспечивает стабильное, при любых природно-климатических условиях отдельных лет, чрезвычайных ситуациях в стране и за рубежом, снабжение населения продовольствием. В условиях рыночных отношений у резервных запасов зерна появилось новое предназначение. Они стали эффективным инструментом государственного регулирования внутренних цен на зерно и взаимоотношений между производителями и потребителями зерна [1, 4, 12, 32, 77, 89, 102, 141, 170, 186, 208, 209].
Реальные условия выращивания, уборки урожая, как правило, не позволяют получить зерно сразу годное для хранения. Оно нуждается в специальной обработке. Более половины собранного урожая зерна необходимо в короткие сроки просушить и очистить [31, 48, 72, 93, 139, 149, 165, 171, 172. 187, 193, 211, 267, 282, 287]. Хранение необработанных зерновых масс сопровождается активными физиолого-биохимическими процессами в самом зерне, в присутствующих примесях и микроорганизмах, которые приводят к значительным потерям массы зерна, ухудшению качества и могут сделать его опасным при употреблении [6, 59, 69, 92, 118, 130, 286].
По данным Международной организации по стандартизации (ИСО) потери при хранении в среднем в мире составляют около 5% , но могут достигать 30% и более, особенно в странах со слабо развитой технологией хранения и климатическими условиями, благоприятными для быстрого развития процессов порчи [118]. В России по экспертной оценке потери в среднем составляют около 17% , а в отдельных регионах при неблагоприятных погодных условиях достигают 25-40% [61, 89, 144, 171, 192, 206, 211].
Поэтому борьба с потерями зерна является одним из основных направлений обеспечения продовольственной безопасности страны.
Определяющий вклад в эти направления внесли российские и зарубежные
ученые: Аграномов Е.А., Акивис СИ., Алексеева Л.В., Андерсон Ж.А., Анис кин В.И., Атаназевич В.И., Бахарев И.А., Боуманс Г., Братерский Ф.Д., Вакар
А.В., Вобликов Е.М., Воронцов О.С, Геддес В.Ф., Гинзбург А.С, Голенков
В.Ф., Голик М.Г., Гордиенко М.В., Гудилин А.В., Гусев В.А., Егоров Г.А., Ели заров В.П., Жидко В.И., Закладной Г.А., Зелинский Г.С., Изтаев А., Казаков Е.Д., Карпов Б.А., Карпов В.И., Клеев И.А., Козьмина Н.П., Комышник Л.Д., Краусп В.Р., Креймерман Г.И., Кретович В.Л., Кулаковский А.Б., Курбатов Д.И., Лебединский В.Г., Лыков А.В., Любарский Л.Н., Малин Н.И., Мельник Б.Е., Мильнер М., Мишустин Е.Н., Нечаев А.П., Новицкий О.А., Оксли Т.А., Окунь Г.С., Орлок А.В., Остапчук Н.В., Платонов П.Н., Птицын С.Д., Птушкин А.Т., Пугачев А.Н., Пунков СП., Резчиков В.А., Румянцев Г.М., Сергунов B.C., Скориков Б.А., Сорочинский В.Ф., Соседов Н.И., Стародубцева А.И., Трисвятский Л.А., Уколов B.C., Фасман В.Б., Ц@циновский В.М., Шумский Д.В., Шумский О.Д., Юкиш А.Е. и многие другие.
В диссертационной работе вопросам борьбы с потерями зерна отводится одно из центральных мест, рассматривая совершенствование методов проектирования, технического оснащения и обеспечения эффективной эксплуатации элеваторов и хлебоприёмных предприятий, как составную часть решения общей проблемы сохранности и рационального использования зерна в стране.
В сложных условиях переходного периода от планово-распределительной системы к рыночным отношениям исследования в данном направлении особенно актуальны.
За годы экономических реформ уровень развития зернового хозяйства России резко снизился: инвестиции в АПК сократились более чем в 3 раза; сортовыми семенами засевается менее 20% пашни; уменьшились объемы внесения удобрений и средств защиты посевов в 5...8 раз; парк зерноуборочных комбайнов сократился вдвое.
В результате производство зерна в стране в начале века характеризуется следующими негативными тенденциями: посевные площади под зерновыми культурами сократились примерно на 40 %, объем производства - на 28 %, соответственно уменьшилось среднедушевое производство зерна - на 34 %. Качество почти всех зерновых, зернобобовых и масличных культур ухудшилось. За последние двадцать лет колебания валовых сборов зерна возросли в 2 раза, а
переходящие запасы зерна сократились почти в 10 раз [ 5, 12, 31, 61, 91, 141, 144,184,185,208].
Значительные изменения произошли также в организации заготовок, послеуборочной обработки и хранения зерна в хозяйствах (у производителя) и на предприятиях бывшей системы хлебопродуктов.
До реформ 90-х годов прошлого века были созданы условия, при которых около 60% собранного урожая оставалось у производителей, а остальная часть закупалась для государственного сектора предприятиями элеваторной промышленности. Важно отметить, что научное и техническое обеспечение предприятий элеваторной промышленности и сельского хозяйства проводилось параллельно без необходимой увязки друг с другом.
В 70-90-е годы прошлого столетия за счет значительных капитальных вложений в элеваторную промышленность были внедрены высокопроизводительные технологические линии приемки, сушки, очистки, активного вентилирования и других операций с зерном. В результате элеваторная промышленность при общем количестве около 1000 предприятий располагает зернохранилищами вместимостью порядка 50 млн. т. и мощностями, способными принять, очистить и просушить до 3 млн. тонн зерна в сутки. Примерно в три раза меньшей емкостью и значительно меньшей возможностью проводить послеуборочную обработку зерна, располагают зернопроизводящие хозяйства.
В тот период дорогостоящие элеваторы рассчитывались на государственные объемы заготовок зерна, загружались в первую очередь и за счет более низких, по сравнению с обработкой зерна на токах колхозов и совхозов, эксплуатационных затрат, народнохозяйственный эффект получался положительным.
Негативные последствия неподготовленного перехода от планово-распределительной экономической системы к рыночной, при общем спаде производства, особенно остро проявились на стыке взаимоотношений между производителями зерна и новыми владельцами элеваторов. Государство, не создав необходимых рыночных механизмов, практически отошло от регулирования
процессом продвижения зернового потока. В неурожайные годы производители, используя малоэффективную технику и низкооплачиваемый труд, проводят послеуборочную обработку зерна своими силами. В то же время элеваторы, оснащенные дорогостоящей техникой, используются на 25-35%. В годы, когда урожай зерна в стране достигает уровня 80 млн.т., хозяйства, которые обеспечены сушильной техникой на 25%, зерноочистительной на 45%, зернохранилищами - на 40% [12, 140, 144, 171, 183, 191, 193], вынуждены обращаться за услугами на элеваторы. Стоимость этих услуг высока за счет издержек из-за недогрузки их мощности в предыдущие годы и это сдерживает хозяйства. В результате огромные массы зерна в хозяйствах, не прошедшие необходимой обработки, надлежащего контроля и при неблагоприятных условиях, хранятся по 2...3 месяца. Фактические потери зерна в хозяйствах по сравнению с дореформенным периодом увеличились в 2-3 раза [5].
Такое положение не стимулирует производство зерна в стране и тормозит научно-технический прогресс в области послеуборочной обработки и переработки зерна, что приводит к упадку даже ранее созданную базу элеваторов.
Создание экономических и организационных условий взаимодействия производителей зерна с элеваторами в регионах страны проходит в разной форме и стадии решения. Однако видно, что реформирование существующей в стране разобщенной (еще в большей степени, чем до реформ) технологической системы послеуборочной обработки и хранения зерна в эффективно взаимодействующий комплекс - крупномасштабная задача, требующая длительного периода, огромных инвестиций и новых научно-технических решений.
Наряду с послеуборочной обработкой значительной части урожая и хранением государственных запасов, элеваторы выполняют важную технологическую задачу - преобразование поступающего разнокачественного зернового сырья в товарные партии зерна целевого назначения.
Зерновая масса является биологической субстанцией, количество и качество которой определяется: генетическими характеристиками семян, почвой,
агротехникой и погодными условиями. Вследствие изменчивости этих факторов, поступающее от разных производителей на элеватор зерно всегда имеет разброс показателей качества. Трудно найти другую отрасль, на предприятия которой, сырье поступало бы с такой степенью неопределенности по срокам, объемам и качеству.
Для обеспечения сохранности и эффективного использования потенциальных возможностей зерна как сырья для производства продуктов питания и кормов, работы машин в наиболее экономичных и технологически эффективных режимах, зерновую массу целесообразно делить на выровненные по комплексу показателей качества части (партии). Однако, всякое деление зерновой массы на отдельные партии не только снижает эффективность использования производительности оборудования, вместимости зернохранилищ, но и усложняет эксплуатацию технической базы элеватора в целом.
Стремление достичь высоких показателей качества зерна постоянно находится в противоречии с эффективностью использования технической базы элеватора, разрешить которое возможно на основе критериев, объективно отражающих эффективность научно-обоснованного компромисса.
Комплексные исследования по созданию товарной классификации на зерно пшеницы, ржи, проса начались с конца 60-ых годов [ 256, 293 , 294 ]. Были разработаны и внедрялись в практику новые ГОСТы и другие нормативно-технические документы, методы предварительной оценки качества зерна в хозяйствах, новые приборы.
На элеваторах совершенствовались техника, технологии. Были разработаны универсальные автомобилеразгрузчики, рециркуляционные сушилки, способные одновременно обрабатывать партии зерна в широком интервале начальной влажности, зерноочистительное оборудование.
С участием автора, впервые в Нормы технологического проектирования хлебоприемных предприятий и элеваторов (ВНТП-05-88) для расчетов необходимой ёмкости и оборудования были введены такие параметры, как количество и величины партий зерна. С учетом этих же показателей стали рассчитывать
коэффициенты размещения зерна в емкостях элеваторов и складов (Правила
организации и ведения технологического процесса на элеваторах и хлебоприемных предприятиях.: Министерство заготовок СССР, 1983 г.).
В последнее десятилетие количество элеваторов несколько убавилось, а число хозяйств, в том числе фермерских, увеличилось на порядок - с 30 до 290 тыс. [5, 157]. Соответственно, увеличился разброс качества и увеличилось число поступающих на элеваторы партий зерна. В новых условиях они оказались технически и организационно не способными формировать партии зерна по товарной классификации.
В результате мукомольно-крупяная промышленность испытывает острый дефицит в партиях зерна соответствующего качества, и две трети своей продукции предприятия выпускают с отступлениями от ГОСТа [32.184].
Специалисты перерабатывающих предприятий прилагают усилия, чтобы из ранее смешанного зерна выделить полноценные фракции, а хлебопеки вынуждены в рецептуру вводить сухую клейковину и другие добавки [152, 163, 184].
Потребности элеваторов в широкой номенклатуре оборудования и емкостях для работы с большим количеством партий зерна ограничиваются возможностями машиностроительных заводов и строительно-монтажных организаций.
Под научным руководством автора были разработаны методики и обоснованы типоразмерные (параметрические) ряды сушилок, сепараторов и емкостей [ 299, 302, 303 ]. Это позволяет на научной основе находить компромиссные решения между требованиями, которые должны соблюдать элеваторы по формированию партий зерна, и возможностями машиностроительных заводов выпускать определённую гамму оборудования.
Исследуемые в диссертационной работе проблемы, связанные с оценкой технических и технологических возможностей действующих элеваторов, с разработками научно-методических материалов для обоснования технического перевооружения, методиками и нормативами для нового строительства и эксплуатации элеваторов, являются актуальными.
Представление технологической системы элеватора открытой к необходимым преобразованиям в агропромышленном комплексе, в связи с принятым Законом о техническом регулировании и предстоящем вступлении России в ВТО, повышает актуальность рассмотренных в работе направлений.
Общей целью исследования является повышение эффективности функционирования технологической системы послеуборочной обработки и хранения зерна на элеваторах (ТС ПОЗ Э) путем снижения потерь и повышения его качества, рационального использования оборудования и зернохранилищ, экономии трудовых и энергетических ресурсов.
Достижение поставленной цели в диссертации связывается с совершенствованием методов проектирования, технического оснащения и эксплуатации элеваторов и хлебоприёмных предприятий.
Научная основа решения проблемы совершенствования технологической системы (ТС ПОЗ Э) базируется на принципах системного подхода и представлении ее как «сложной системы». В работе использованы общие положения теории технологического потока [48, 57, 85, 86, 87, 116, 177, 196] и известный принцип исследования технологии: от изучения свойств материала, к выбору рациональных методов и режимов обработки, до создания на предприятиях эффективных комплексов технологических линий.
Проведенный анализ (ТС ПОЗ Э) позволил вскрыть общие закономерности в ее организации, строении и функционировании, увязав вероятностные параметры потока поступающего зернового сырья с работой машин и технологических линий, обеспечивая на выходе партии, отвечающие по качеству целевому назначению.
Необходимость построения моделей, адекватно отражающих свойства сложного объекта, которые могут быть технически реализованными, потребовала разделения всей исследуемой системы (ТС ПОЗ ЭХП) на иерархически построенные уровни.
На начальной стадии исследования было определено место, которое занимает (ТС ПОЗ ЭХП) в общей структуре зернового производства и ее роль в
АПК. Проведена систематизация параметров внешней эксплутационной среды,
определяющих на элеваторе количественно-качественные характеристики и объемы работ с партиями зерна. Проанализировано производство и организация послеуборочной обработки зерна в хозяйствах различных регионов страны, объемы зерна, предназначенного к сдаче на элеватор, состав культур, их качество, состояние по влажности и засоренности, возможное число и величины партий.
В результате были получены: математические модели прогнозирования объемов хранения и обработки зерна; модели группировки в разрезе регионов страны (область, край, республика) предприятий по признакам, отражающим потребность предприятий в определенных технологиях, машинах и емкостях.
На втором уровне предметом исследования определены процессы формирования зерновых масс из автомобильных партий. Исследована их неоднородность по влажности, засоренности и температуре при поступлении на предприятие и в процессе обработки и хранения.
В результате разработана модель распределения в зерновой насыпи основных параметров, характеризующих ее состояние. Это позволило развить научное представление о зерне, как объекте хранения и послеуборочной обработки. Впервые в практику обоснования технологий приемки, формирования, обработки и хранения партий зерна введен такой показатель, как выравненность партии зерна по качеству.
Исследования третьего уровня позволили получить математическое описание зависимостей, определяющих эффективность работы отдельных технологических, транспортирующих машин и использование емкостей при работе с партиями зерна разного качества, состояния и объема.
Предметом исследования на четвертом уровне послужили явления взаимодействия машин, установленных в технологический поток (линию) при обработке партий зерна разного качества. Используя данные исследований процессов в производственных условиях и полученных путем имитационного моделирования, установлены и представлены аналитически взаимосвязи машин в линиях. Раскрыто влияние на выбор оборудования технологических линий динамики поступления партий зерна, наличия накопителей, для пере держки зерна до обработки, соотношения между рабочим временем и необходимым на подготовительные и заключительные операции с зерном. Теоретической основой для построения математических моделей технологических линий принято «Положение о неразрывности материального потока», принципы системного подхода.
На основании результатов исследований для отрасли хлебопродуктов установлены определения и термины теоретической (паспортной), технической и эксплуатационной производительности машин и линий, а также разработаны: классификация технологических и транспортирующих линий элеваторов, технологический регламент и методики, реализованные в специальных алгоритмах и моделях для расчета заданий на выполнение работ. На пятом уровне исследовалось взаимодействие технологических линий, функционирующих на базе элеваторов, сушильно-очистительных, механизированных башен с зерноскладами, объединенных в единый производственный комплекс.
В развитие графоаналитического метода Д.В. Шумского [136 ], а также методов, основанных на теории массового обслуживания, имитационном моделировании процессов [ 35, 48, 84, 147, 175, 176, 189, 190 ], автором выявлены интегральные свойства линий, взаимодействующих в технологической системе, положенные в основу нового подхода к решению задач оптимизации работы элеватора. Разработанная автором структурно - логическая модель позволяет при проектировании нового элеватора или его техническом перевооружении оптимизировать состав оборудования и емкостей. На действующих объектах, с помощью модели устанавливаются компромиссные решения между использованием технической базы предприятия и количеством формируемых партий зерна, что позволяет эффективно вести технологические процессы при сохранении качества зерна.
Модель явилась эффективным инструментом для теоретических исследований технологических схем элеваторов, действующих в различных условиях «внешней среды», нашла применение в практике проектирования при техническом перевооружении элеваторов. Под руководством и с участием автора бы ла разработана проектная документация и осуществлено техническое перевооружение наиболее распространенных типов элеваторов: Л-ЗхЮО, ЛВ-Зх175, ЛС-4х175, ЛВ-4х175, РЗС-5х175, расположенных в различных зонах страны (Алтайский и Краснодарский края, Воронежская, Омская и Акмолинская области) [302, 307]. Эксплуатационная производительность и приведенные затраты использовались в качестве критерия для оценки эффективности принятых решений. Наибольшая эффективность решений, выработанных на основе моделирования процессов, была достигнута при комплексном техническом перевооружении Колодезянского элеватора Воронежской области-Решения задач отраслевого масштаба, представленные в диссертационной работе, отнесены к шестому уровню исследования. Объекты исследования этого уровня (элеваторы и хлебоприёмные предприятия) предложено сгруппировать в классы, достаточно адекватно отражающие многообразие условий заготовок зерна в стране и их потребность в технической оснащённости. Разработка положений, норм, параметров, определяющих эффективность того, что может быть достигнуто в результате технических преобразований, новой организации проведения технологических процессов на элеваторах, являлась предметом исследования этого уровня. Результаты внедрены в отраслевые нормы технологического проектирования хлебоприемных предприятий и элеваторов, разработаны пособия по проектированию предприятий, зданий и сооружений по хранению и переработке зерна, впервые для отрасли были созданы типораз-мерные (параметрические) ряды зерносушилок, сепараторов и зернохранилищ [290, 299, 302, 303].
При исследовании (ТС ПУОЗ ЭХП) применен универсальный принцип решения задач одного уровня, используя результаты решения задач предыдущего уровня, с учетом ограничений, вытекающих из задач последующего уровня. Переход с одного уровня на другой сопровождался сменой математического аппарата и экспериментальных методов.
Исследования процессов приемки, послеуборочной обработки зерна проводились в производственных и лабораторных условиях, с применением физического и математического моделирования, методов квалиметрии. Производст венные исследования проводились на элеваторах и хлебоприемных предприятиях России, Украины и Казахстана.
Оценка технологических, физиолого-биохимических и микробиологических показателей качества зерна в процессе приемки, послеуборочной обработки и хранения проводилась по общепринятым методикам, с анализом достоверности полученных результатов по критериям статистической устойчивости связей.
Таким образом, в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований технологической системы послеуборочной обработки зерна на элеваторах получены следующие научные результаты:
Разработана методика определения оптимального сочетания технических средств, характеризующихся разными капитальными и эксплуатационными затратами на приобретение и эксплуатацию, исходя из прогнозируемых колебаний объемов технологических операций по годам.
Разработана математическая модель, отражающая пространственное распределение в зерновой насыпи параметров, определяющих ее сохранность, что развивает научное представление о зерне, как объекте хранения и послеуборочной обработки.
Дана количественная оценка влияния неравномерности распределения влаги, примесей, температуры по слоям зерновой насыпи на ее сохранность, режимы сушки, очистки, активного вентилирования.
Систематизированы факторы, определяющие эксплуатационную производительность технологических линий и вместимость зернохранилищ.
Выявлено влияние разнокачественных партий зерна на величину потерь рабочего времени при подготовительно-заключительных операциях с зерном, динамику поступления их на обработку.
Разработана классификация технологических линий хлебоприемных предприятий.
Разработана методика оптимизации параметрических рядов сушилок, сепараторов, емкостей применительно к хлебоприемным предприятиям.
Для анализа работы элеваторов предложено использовать структурно-логический метод, как развитие графо - аналитического метода и имитационного моделирования.
Практическая значимость результатов исследования.
На основании проведенных исследований и производственной проверки получены следующие результаты:
1. Нормы технологического проектирования элеваторов и хлебоприемных предприятий дополнены положениями и методиками расчета необходимого оборудования и емкостей с учетом количественно - качественных характеристик партий зерна (прил. №8 ).
2. Разработан руководящий технический материал (РТМ) и программа для ПВЭМ, для установления эксплуатационной производительности технологических и транспортирующих линий элеваторов (прил №10).
3. В пособие по проектированию предприятий, зданий и сооружений по хранению и переработке зерна (СНиП 2.10.05-85) введены положения об оптимальном соотношении силосов разных размеров (прил. 12).
4. В Правила ведения и организации технологических процессов на элеваторах и хлебоприемных предприятиях внедрены нормативные коэффициенты размещения зерна и маслосемян в емкостях типовых элеваторов и складов с учетом количества партий зерна, размещаемых на хранение, сформулированы положения по организации очистки свежеубранного зерна (прил.№9).
5. Для отрасли хлебопродуктов разработаны методики и обоснованы ти-поразмерные (параметрические) ряды зерносушилок, зерноочистительных машин, зернохранилищ (прил.№ 11, 12).
6. Разработаны типовые технические решения элеваторов с эффективными объемно-планировочными, конструктивными и технологическими решениями для различных регионов страны.
7. Проведено техническое перевооружение Колодезянского элеватора (тип ЛС-4х175) Воронежской области. Разработана проектная документация на перевооружение наиболее распространенных типов элеваторов: Л-Зх100,
ЛВ-Зх175, РЗС-5х175 (прил.№15, №16).
8. Разработана и реализована в виде программы для ПВЭМ, структурно-логическая модель взаимоувязанных операций с зерном на элеваторе (прил.№ 13).
9. Выпущены учебник, методические указания, программы обучения для использования при подготовке студентов и специалистов, повышающих квалификацию по специальности 05.18.01.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и одобрены: на научно-технических Советах Министерств хлебопродуктов (заготовок) СССР и Российской Федерации (Москва, 1978 г.), Ученых Советах ВНИИЗ, Всесоюзной конференции «Совершенствование конструкций и повышение эксплуатационной надежности элеваторных сооружений» (г. Новосибирск, 1981 г), Всесоюзной научной конференции «Пути совершенствования технологических процессов и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания» (Москва, 1984 г.), Всесоюзной научной конференции «Вопросы ускорения НТП в проектных предприятиях отраслей» (г.Харьков, 1988г.), Юбилейной, посвященной 60-летию МТИ1І11, научно-практической конференции «Новые направления в совершенствовании и разработке продуктов питания» (Москва, 1991 г.), Международной конференции «Современное состояние хранения зерна» (Москва, 1996 г.), Научной конференции «Продуктотехнология - 21-й век » (Москва, 2001г.), Второй международной конференции «Качество зерна, муки и хлеба» (Москва, 2002 г.), Всероссийской конференции «Продовольственная безопасность России» (Москва, 2002 г.), Юбилейной научной конференции «Технология хранения и переработки зерна» (Москва, 2002 г.), Второй Международной конференции «Хранение зерна» (Москва, 2003 г.), Втором Всероссийском конгрессе зернопереработчиков (г. Барнаул, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (г. Уфа, 2003 г.), Международной конференции «Агропродовольственный рынок России - 2004» (Москва, 2004 г.), Второй международной конференции «Зерновая индустрия в XXI веке» (Москва,2004 г.)
Публикация результатов исследований. Основные научные положения опубликованы в 52 работах (1 монография, 1 книга, 1 учебник, 3 учебных пособия, 3 брошюры и 43 статьи).
Настоящая работа является обобщением результатов научных исследований методологического, теоретического, экспериментального и прикладного характера, выполненных автором лично или при непосредственном творческом участии в период с 1969 по 2004 годы. Исследования отражены в 19 рукописных отчетах по госбюджетным и хоздоговорным НИР.
Положения диссертации соответствуют основным принципам и направлениям государственной политики в области совершенствования технологий и машин для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции, изложенным в документе: «Концепция развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2010 года».
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 298 стр., содержит таблиц и рисунков. В приложениях на 35 стр. помещены таблицы результатов исследований, акты и протоколы приемки результатов к внедрению в промышленность. Библиография включает 366 литературных источников отечественных и зарубежных авторов.
Зерновые ресурсы и роль заготовительных элеваторов в решении задач продовольственной безопасности страны
Производство зерна в России всегда занимало приоритетное место в структуре агропромышленного комплекса, выполняя в нем системообразующую роль. Около 40% агропромышленного производства непосредственно связано с зерновыми ресурсами, которые дают более трети стоимости валовой продукции растениеводства, обеспечивая более 8 млн. рабочих мест [1,4, 32, 33,43,89,184].
Структура использования зерна в Российской Федерации на различные цели приведена в табл. Зерновые культуры в земледелии по размерам посевных площадей и валовому сбору превосходят все остальные сельскохозяйственные культуры.
Расчеты показывают, Россия может не только полностью удовлетворять собственные потребности в зерне, но и в дальнейшем конкурировать на мировом рынке [5,223 ].
Даже при резком спаде, почти на одну треть, производства зерна, наблюдаемого в период с начала 1990 - х годов и по настоящее время, Россия все еще остается крупнейшим производителем зерна, занимая по абсолютному объему 4-е место в мире - после Китая, США. Индии. В 2002г. экспорт зерновых России превысил 14, а в 2003 г -17 млн. т., объем сделок превышал 1 млрд. долларов США.
Объективно основные преимущества России в области зернового производства по оценке ведущих ученых АПК [ 4, 43, 102, 153 ] складываются из следующего: объемы и плодородие пахотных земель, запасы водных ресурсов и минерального сырья; природно-климатические условия, позволяющие выращивать высококачественное и экологически чистое зерно; относительно низкая, по сравнению с крупнейшими странами-экспортерами, стоимость ресурсов (энергии, земли, рабочей силы); территориальная близость России к важным и растущим рынкам сбыта, таким как страны Центральной Азии, Среднего и Ближнего Востока, Южной Европы, Северной Африки.
Эти факторы для России носят стратегический характер, и, учитывая предоставленные природой возможности, в случае успешного развития экономики, в перспективе, можно будет ставить зерно в один ряд с такими экспортными товарами, как нефть, газ, металл, лес и электроэнергия. При этом надо учитывать, что зерно является ежегодно возобновляемым ресурсом.
На развитие производства зерна в России нацеливают также негативные тенденции, которые сейчас проявляются в обеспечении населения Земли продовольствием. Можно привести два основных фактора, которые позволяют так утверждать. Первый- это постепенное глобальное потепление климата и, в связи с этим, общее ухудшение биоклиматического потенциала на Земле, а для России, наоборот, условия для сельскохозяйственного производства должны улучшаться. Второй фактор, это неуклонное увеличение численности населения Земли преимущественно за счет стран со слабой экономикой и низким уровнем ведения сельского хозяйства [5, 141, 168 ].
Однако, в современных условиях нестабильной экономики, при общем спаде производства и потребления зерна, не преодолев внутри страны кризисного состояния в зерновом хозяйстве и, напрямую связанного с ним животноводства, ставить вопрос о развитии внешнего рынка зерна, как приоритетного направления, по мнению автора, преждевременно. В первую очередь, в экономике необходимо разработать и придерживаться целевой установки на достижение соответствия между спросом на зерно и уровнем, который обеспечивает его нормативное потребление внутри страны, и только при выполнении этого условия в полной мере ориентироваться на экспорт.
Возможность длительного хранения и транспортабельность зерна определяют его ведущую роль в создании стратегических запасов продовольствия и ведущая роль в создании и хранении таких запасов отводится элеваторам, которые осуществляют две функции: технологическую - преобразование разрозненных потоков зернового сырья, поступающего от производителей, в товарные, относительно выровненные по качеству, партии и экономическую - продвижение товара на внутреннем и внешнем рынках.
Научно-обоснованный прогноз и техническая политика развития заготовительных элеваторов строится на анализе основных показателей производства и использования зерна в целом по стране и регионам.
Эффективность производства зерна связана с объемами вложенных средств и в тоже время она в значительной степени зависит от погодных условий и стихийных бедствий.
Общепринято выделять пять факторов, которые в наибольшей степени влияют на производство зерна: материально-техническое обеспечение, определяющее технологический уровень производства в данный период времени (основные фонды, семенной материал, удобрения, средства защиты растений); климатические условия территорий, включающие базовый биоклиматический потенциал (гидротермические условия и состояние пашни) и переменные погодные условия в вегетационный период формирования и созревания растений, а также в период уборки зерна;
Модель группировки элеваторов по объёму операций с зерном и числу партий
Разнообразие условий работы элеваторов определяет потребность в широкой номенклатуре технических средств. Однако, расширение номенклатуры приводит к снижению серийности выпуска и, следовательно, к удорожанию этих средств при изготовлении, а нередко и эксплуатации. Нахождение таких параметров, при которых затраты на их изготовление и эксплуатацию были бы наименьшими, решается в задачах оптимизации параметрических рядов [48, 155, 257, 283, 290, 303, 349, 350]. При решении строится модель функционирования реальной технической системы, в условиях предполагаемой эксплуатации. Проводится анализ системы, выявляются взаимосвязи всех факторов и отбираются наиболее существенные из них. К таким факторам, определяющим целевую функцию элеватора, следует отнести объемы операций с зерном и число партий. Для того, чтобы представлять по этим параметрам совокупность достаточно большого количества предприятий, нами обоснованна модель группировки элеваторов по нормированным в интервалы значениям. Для группировки элеваторов по объемам операций использованы материалы 16 областей (краев), собранные за 10 и более лет. Количество интервалов - «И» определялось по формуле Стерджесса [20]: где, п - число элеваторов в области (крае). Величина интервала сіз определялась как отношение разности между наибольшим qmax и наименьшим qmin объемом операции на предприятиях области (края) к количеству интервалов: Выявлена устойчивая зависимость величины интервала от среднего объема операции в области (крае): где, т3 -средний для области (края) объем операции. Усредненное по 78 опытам распределение предприятий (в частотах) пред ставлено в виде ряда: . Устойчивость распределения проверялась следующим образом: 78 опытов случайным образом были разбиты на две равные группы, по которым были установлены свои распределения; подобие распределений, полученных по выделенным группам и по всей совокупности опытов, проверялось по критерию х2. Доверительная вероятность соответствия для одной группы составила 0,80, а для другой - 0,88, что свидетельствует о высокой устойчивости распределения, однако, детальный анализ, выявил случаи с распределениями резко отличающимися от установленных. Такие случаи наблюдались в годы, когда зерна поступало значительно ниже среднемноголетнего. После выбраковки распределений, у которых %2 - ниже 0,5, по оставшимся 38 опытам было получено новое, более устойчивое распределение элеваторов по объемам операций (табл. 2.20 и рис. 2.4), в виде ряда: Разработанная модель группировки по объему операций с зерном, полученных для обследованных областей ( краев), а также зависимостей, выражающих связь между объемами операций и числом партий, позволили представить столбцы - как объемы операций с зерном, строки - число партий, а элементы -число элеваторов ( в %) с соответствующими параметрами. Представленные материалы позволяют в сжатой форме, но достаточно дифференцированно, представлять условия работы больших совокупностей элеваторов крупных регионов страны (область, край, автономная республика) и решать задачи оснащения их оборудованием и емкостями.
Для заготовительного элеватора приемка зерна с автомобильного транспорта является внешней технологической операцией, которая определяет весь последующий производственный процесс. За сравнительно короткий промежуток времени (период заготовок) поступает основная масса разнокачественного зернового сырья, из которого формируются объемы и качество тех партий, с которыми элеватор работает последующий год. Формирование партий зерна на элеваторе наиболее ответственная технологическая операция. Ошибки, допущенные на этом этапе работ, приводят к результатам, которые носят необратимый характер. Основная сложность в организации процесса приемки зерна, поступающего автомобильным транспортом, связана с неопределённостью, которая сопровождает работу предприятия в каждый уборочный период. Неопределённость имеет два источника. Первый определяется объективными агроклиматическими условиями формирования и уборки урожая в хозяйствах. Второй источник напрямую связан с организацией взаимодействий, которые устанавливаются в период заготовок между производителями зерна и элеватором. Сложно прогнозируется общий объем закупок зерна, поступление его по суткам и часам суток. Еще большие трудности возникают с прогнозированием качества и состояния поступающей зерновой массы. Подвоз зерна осуществляется автотранспортом различным по типам, грузоподъемности, габаритам, возможности разгрузки зерна через задний или боковой борт. Поэтому, предприятия вынуждены для отбора проб зерна, разгрузки и взвешивания автомобилей оснащаться универсальными средствами. Необходимость раздельной приемки разнокачественных партий зерна в соответствии с товарной классификацией, с учётом их состояния по влажности, засоренности, другим признакам в значительной степени усложняет вопросы проектирования, технического оснащения и эксплуатации технологических линий приёмки зерна с автомобильного транспорта на элеваторах. 116 Для успешного решения этих вопросов необходимо совершенствовать методы проектирования элеваторов, управления технологическими процессами формирования партий зерна для их дальнейшей обработки, хранения и отпуска по целевому назначению.
Оптимизация состава технологических линий приёмки зерна с автомобильного транспорта
Задача выбора оптимального для предприятия состава линий приёмки зерна с автомобильного транспорта по производительности представляется сложной целочисленной задачей. Математическая постановка задачи. Дано: А а - максимальный объем приемки зерна с автомобильного транспорта за сутки периода заготовки, т; N - число партий зерна, которое будет поступать на предприятие; Р а - вектор объемов приёмки по партиям зерна: где ра (і) - объем приёмки представленный і - ой партией, определяется зависимостью ( 2.26), т; Z а - вектор исходного, представленного к выбору ряда приёмных устройств по производительности П тр: тр) - производительность к-го типа устройства, т/ч; L ож - вектор ожидания автомобиля в очереди, ч: где 10ж (К) _ допустимое время ожидания в очереди для к-го типа устройства, ч; F 10Ж (i, tp5K) - вероятностная функция, определяющая объем, который может возникнуть в результате накопления очереди в течение t0-A- - і - ой партии. Для каждого к- того типа устройства задан функционал Ф, определяющий вектор Pra: где рга (к,1) - объем принятого зерна за сутки устройством к-го типа при условиях поступления I партий, грузоподъемности автомашин, времени на переключение маршрута по зависимости (3.14). Требуется определить: вектор X а: где ха (к) - количество устройств к - го типа, необходимых для приёмки всех партий зерна, а также: матрицу где to» (і) - время ожидания в очереди для і - ой партии. Допустимым решением без потерь будем называть такие векторы Ха, D и матрица Pza, при которых будут выполняться следующие соотношения:
Оптимальными решениями называются решения, обеспечивающие минимальных затраты на приобретение и эксплуатацию линий, при соблюдении ограничений очереди автомобилей при их разгрузке. Исследования процесса, выполненные на ряде элеваторов, были дополнены результатами, полученными с помощью имитационной модели (рис.3.11). Блок-схема отражает последовательность и результаты работы приемных устройств различной производительности в зависимости от интенсивности потока поступления автомобильных партий зерна разного качества. Блок 1.
Ввод исходных данных : Т - период имитации процесса, ч; tm - шаг (дискретность ) разбивки периода Т, ч; Ма- количество автомобилей, с которого начинается имитация 10, шт.; Na - количество формируемых партий зерна, шт.; j - индексы, определяющие признаки качества и состояния зерна в автомобилях; Га - количество зерна в автомобиле (среднее значение и дисперсия), т; Мар и Пар - марка и производительность автомобилеразгрузчика; ГЦ,- производительность транспортирующего оборудования, т/ч; t Пер - потери времени на переключение маршрута, ч ; t ож - допустимое время ожидания автомобилем разгрузки зерна, ч ; а - уровень сходимости данных, определяющий необходимое число имитаций. Блок 2 Присвоение переменным величинам начальных значений: - начало имитации принимается за ноль, величины Га и j приравниваются к среднему значению; - число автомобилей Ма принимается равным 10; - шаг приращения автомобилей от одной серии опытов к другой - Д Ма. - число реализаций в первой серии опытов принимается равным 30 и прибавляется до принятого уровня а. - величины партий зерна определяются по формуле (2.26 ). БлокЗ Моделирование процесса поступления потока зерна включает: - генерирование моментов поступления автомобилей, принадлежащих определенным партиям, используя метод Монте-Карло и закон распределения. - отслеживание промежутков времени между прибытием автомобилей по каждой партии отдельно - tj. Блок 3.1 Накопление статистики по времени поступления отдельных партий зерна и одновременности их поступления. Блок 4 Задание вариантов оснащения приемных устройств включает: - перечень применяемых автомобилеразгрузчиков. - используемые производительности транспортирующего оборудования. - время, необходимое на переключение маршрутов.
Эффект выравнивания зерновых масс по влажности и температуре при использовании активного вентилирования
Исследования процесса формирования зерновой насыпи из автомобильных партий позволяют утверждать, что влага в сформированных насыпях распределена по слоям неравномерно, в результате чего создаются разные условия для развития в ней физиологических, а также тепло-массообменных процессов. Проведенный анализ литературы показал важную роль активного вентилирования в обеспечении сохранности качества влажного и сырого зерна. Процессы охлаждения и сушки зерна в толстом, плотном слое (в насыпи) при активном вентилировании атмосферным подогретым или искусственно охлажденным воздухом исследованы достаточно глубоко [8, 11, 27, 30, 79, 117]. Инструкция по активному вентилированию для зерна различных культур включает режимы вентилирования с использованием конкретных установок, работающих в зерноскладах и силосах элеватора. Режимными параметрами являются удельные подачи воздуха ( УПВ ) и высота вентилируемой насыпи. Поскольку производственную проверку разрабатываемых режимов вентилирования планировалось проводить на установках типа СВУ-2, то при лабораторных исследованиях, в качестве базовых, были приняты режимы, рекомендуемые для обработки зерна влажностью 15, 20 и 24 % на этих установках.
Эти режимы учитывают, что воздухораспределительные устройства расположены на определённом расстоянии одно от другого и воздух по вентилируемой насыпи распределяется неравномерно. В зависимости от ширины глухого промежутка между воздухораспределительными устройствами, используются коэффициенты удельной подачи воздуха - Kq . Для СВУ-2 значения Kq могут быть приняты по таблице: Исследование влияния неравномерности распределения влаги по слоям зерновой насыпи на режимы активного вентилирования зерна проводилось на экспериментальной установке ВНИИЗа (рис.4.2), которая позволила моделировать и контролировать процесс охлаждения и сушки по высоте насыпи при различных значениях УПВ. Схема проведения опытов приведена на рис.4.3. В силу того, что лабораторная установка не имеет застойных зон вентилирования, УПВ по сравнению с базовыми были соответственно снижены. Удельные подачи воздуха 90 м3/ч т соответствовали среднему между 60 и 120 м3/ч-т значению. Высоты насыпи менялись от 0,2 до 4,0 м. На рис. 4.7 представлены данные о снижении температуры зерна в насыпи высотой 2,0 м при УПВ: 60, 90 и 120 м3/ч«т. Все насыпи (опыты) в среднем имели одинаковую начальную влажность-порядка 20% и температуру 22С. При этом, в опыте № 1 насыпь по всей высоте имела одинаковую влажность, а в опыте № 2 и № 3 насыпи состояли из трёх равных по высоте слоев, имеющих различную влажность: 14, 20 и 25 %. Опыты № 2 и № 3 друг от друга отличались расположением слоев по отношению к месту подачи воздуха. Опыт № 2 имел последовательность расположения слоев: 25,5 %, 20,1 % и 14 %, а опыт № 3: 14,5, 20,8 и 25,0 % Полученные экспериментально данные позволяют утверждать, что эффективность вентилирования зерновых насыпей, имеющих различную вырав-ненность по влажности, проявляется по-разному.
Наибольшая скорость снижения температуры зерна наблюдалась в опыте № 1. Температура за счёт вентилирования снизилась с 22 до 16С за 17 ч. Влажность зерна за этот период снизилась на 1,0 % и стала равной 19 %. В опыте № 2 за этот же период, при той же подаче воздуха, температура зерна в среднем снизилась с 22 до 16,7С. При этом в слое, который имел влажность 25,5 %, температура снизилась до 15С, а в слое влажностью 14,4 % и наиболее удаленном от подачи воздуха - температура снизилась до 18С. Влажность в этом опыте в среднем понизилась на 0,7 % и по слоям колебалась от 0,2 до 1,1 %. Наблюдался период, когда верхний слой увлажнился на 0,3 %. В опыте № 3, при расположении слоев в последовательности: 14,5 %, 20,8 %, 25,9 %, за 17 ч вентилирования температура в среднем по насыпи снизилась до 17,3 С, а влажность с 20,4 до 19,9 %, т.е. всего на 0,5 %. Продолжительность вентилирования, в результате которого все насыпи достигли температуры зерна равной температуре окружающего воздуха, составила: в опыте № 1 - 17ч, в опыте № 2 - 20 ч и в опыте № 3 - около 23 ч. Следовательно, в зависимости от степени выравненное зерновой насыпи и расположения слоев, для достижения одного и того же результата необходимы различные режимы вентилирования. Разница в значениях режимных параметров может достигать 30 %. Изменение температуры в слоях насыпи происходило за счет обмена тепла, аккумулированного в зерне и тепла поступающего вместе с воздухом. Количество тепла, которое поглощает воздух, пронизывающий зерно (Qn), должно быть равно количеству тепла, отведенного от зерна (Q0TB)
