Введение к работе
Актуальность темы исследования. Овцеводство является составной частью агропромышленного комплекса страны и среди его отраслей животноводства занимает одно из первых мест по разнообразию и специфике получаемой продукции. Оно является важным, а в ряде случаев и единственным источником получения шерсти, мяса-баранины, меховых, шубных овчин и других видов сельскохозяйственной продукции.
В течение длительного времени экономика овцеводства России в основном базировалась на производстве шерсти, доля которой в обшей стоимости товарной продукции отрасли достигала 75 - 85 процентов. Этому способствовали обоснованные цены на шерсть, что, в конечном счете, оказывало решающее влияние на темпы и уровень развития овцеводства страны. Однако накопленный потенциал шерстяной отрасли страны за период рыночного реформирования экономик» {1990 - 2000) растерян, численность овец в стране сократилась более чем в 4 раза (с 63 миллионов голов до 14.8 миллионов) из-за невостребовательностн отечественной шерсти как на внутреннем рынке, так и за рубежом. При сложившейся ситуации, стабилизация и развитие отечественной племенной базы в первую очередь тонкорунного типа овец, в условиях России является актуальной проблемой.
Шерсть является продуктом живого организма, которая выращивается на овие в течение года в разных условиях содержания и кормления. Химический состав сё не постоянен к по данным исследователей содержание таких элементов, как углерод, водород, кислород, азот и сера колеблется в пределах единиц процента. На ее технологические качества оказывает влияние окружающая среда, минеральная и органическая составляющие примесей и растительные вещества, попадающие в руно во время нахождения животных на пастбище. Производимая немытая шерсть содержит в среднем до 50 - 60 % чистого волокна, от 5 до 15 % шерстного жира, 35 - 45 % минеральных и органических примесей и до 15 % растительного сора. Поэтому при производстве шерсти и изучении продуктивности
Гере
цнб мс:
овей необходимо, прежде всего, знать выход из неё ч«сТоГО""воЛ0кн'а. шерстная
продуктивность животных закладывается на этапе селекционной и зоотехнической работы по созданию продуктивных пород овец и стад и во многом зависит от точности определения одного из основополагающих показателей - шерстяного основания (Wool Base -Саза шерсти), производным которого является - выход шерсти. Большая значимость показателя выхода шерсти в селекционной, зоотехнической, промышленной и коммерческой практике, требует совершенствования методов его оценки.
Немытая шерсть для исследований является сложным объектом, а названные факторы не позволяют использовать хорошо отработанные в практике исследований аналитические (физико-химические) методы контроля для оценки её показателен, как, например, выхода шерсти. Поэтому в практике определения выхода шерсти используются методики, основанные на исключении компонентов немытой шерсти (при промывке, сушке, сжигании и т.д.), что вызывает определённые трудности в селекционном и технологическом процессе.
Для обеспечения всех структурных подразделений шерстяного комплекса страны точным и высокопроизводительным методом оценки выхода шерсти, на основе которого более корректно использовать данные животных по их шерстяной продуктивности, приобретают особую актуальность исследования по вопросу его совершенствования или разработки.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы является разработка экспрессного приборного метода оценки выхода шерсти, основанного на физических закономерностях газового закона Бойля-Мариотта, массовых плотностях (далее плотность) химически несвязанных веществ и их соотношении в немытой шерсти, для селекционных, зоотехнических, производственных и коммерческих и ел ей.
В задачи исследований входило:
анализ существующих методов оценки выхода шерсти из немытой н обобщение научно - практических публикаций аналитической оценки гетерогенных систем, какой по своему состоянию является немытая овечья шерсть;
определение основных факторов и условий, определяющих возможность
разработки и применения инструментального объёмно-весового метода для оценки выхода шерсти (включающего определение веса пробы -+ измерение истинного объема немытой шерсти в пробе);
* создание лабораторной установки (прибора) для определения вы-
хода шерсти разработанным объемно-весовым методом;
проведение сравнительных экспериментальных исследований по
определению выхода шерсти разработанным методом в сравнении с действую
щими методами в отечественной и мировой практике, оценка его экономической
эффективности;
разработка исходных требований иа проектирование и изготовление
опытного образца установки (прибора), реализующей объемно-весовой метоп.
Объектом исследования была определена однородная тонкая и помесная немытая шерсть Северо-Кавказского региона.
В качестве рабочей гипотезы исследования автор исходит из того, что: - немытую шерсть можно представить двух компонентной системой; - присутствую-шие всшества (кератин, вода химически несвязанная с кератином, жир, пот, минеральные примеси, растительный сор, базовые загрязнения) в немытой шерсти химически не связаны друг с другом; а при известной их обшей массе (весе) и занимаемом объёме можно определить вес любого компонента системы, при условии, что массовые плотности этих компонентов известны.
Научная новизна. Впервые, применительно к методам оценки количественных показателей качества шерсти, разработан приборный объёмно-весовой метод определения выхода шерстн для селекционных и производственных целей.
Элементы научной новизны составляют;
-определение соотношения шерсти и "инородных примесей1" в пробе немытой шерсти выражать функциональной зависимостью второго порядка при условии, что немытая шерсть - двух компонентная система (кератин + "инородные примеси").
- предложены функциональные зависимости плотности инородных примесей, связанные с массой пробы, занимаемым объёмом немытой шерсти в пробе.
6 плотностью немытой шерсти и плотностью шерсти (кератина);
- создана лабораторная установка для реализации объёмно-весового метода
оценки выхода шерсти и проведены ікспернментальные исследования по апроба
ции метода;
разработаны исходные требования для изготовления установки, реализующей предлагаемый метод.
Новизна метода подтверждена авторскими свидетельствами (№ 950807, опубликовано 15.08.32г. Бюл. №30) и (№1559890 с грифом для служебного пользования), который был снят «Роспатентом», письмо № 41-62-8-209 от 22.05.01 в 2001 году.
Практическая значимость работы. На основании сравнительных испытании объёмно-весового метода с ГОСТ 30190-2000 и 1WTO 19-76 (Е) в лабораторных условиях института и производства (ЗАО «Невинномысский шерстяной комбинат») подтверждена его обоснованность, надежность в эксплуатации, экслресс-ность (время анализа не более 20 минут) и достоверность оценки (погрешность менее 1.0 %). По результатам испытаний разработанный метод рекомендован для использования в сельском хозяйстве и промышленности.
Свшь темы с планом научных работ. Исследования по теме проведены в соответствии с тематическим планом Научно - исследовательского института заготовок и первичной обработки шерсти (1987 -1991 гг.) и Ставропольского научно-исследовательского института животноводства и кормопроизводства (2002г.).
Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены и осуждены на заседаниях учёного совета НИИЗПОШ в 1990 - 1991 гг., на заседании кафедры овцеводства СГСХА в 1999 г., трудах СГСХА (Ставрополь, 2000г.), на заседании методической комиссии и ученого совета СНИИЖК в 2004 г.
На защиту выносятся следующие положения:
разработанный объёмно-весовой метод оценки выхода однородной тонкой и полутонкой шерсти;
исходные требования на проектирование и изготовление установки, реализующей объём но-весовое метод.
Публикации. По теме диссертации получено два авторских свидетельства и опубликовано семь статей.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений. Работа, содержит 14 таблиц, 9 рисунков и 5 приложений. Список литературы включает 104 источника, в т. ч. на иностранных языках 36,
Во єведешш обосновывается выбор темы диссертации, формулируется рабочая гипотеза и определяется цель работы.
В первом разделе выполнен анализ существующих методов определения выхода шерсти и дана опенка применимости физических методов анализа, основанных на газовых законах и свойствах твёрдого и жидкого тел, какими являются овечья шерсть и инородные примеси, присутствующие в немытой шерсти.
Во вторам разделе изложена методика проведения исследований, описан используемый материал для проведения эксперимента и место проведения работы.
В третьем разделе показаны и обобщены результаты проведённых технологических испытаний оценки выхода шерсти объёмно-весовым методом на лабораторной макет установке, разработанной и изготовленной автором. Дана оценка экономической эффективности предлагаемого метода оценки выхода шерсти в сравнении с действующими методами.
В выводах и предложениях отмечена положительная сторона разработанного метода, дана техническая и экономическая оценка и определена перспектива его внедрения в шерстяной отрасли страны.
Материал и методика исследований.
На первом этапе диссертационного исследования определена методология разрабатываемого объемно-весового метода, идея которой состоит в едином при* борном обеспечении и методическом подходе к оценке выхода шерсти во всех структурных подразделениях шерстяного комплекса.
Изучено количественное соотношение составных компонентов, входящих в немытую однородную тонкую и полутон кую овечью шерсть Северокавказского
s региона. Немытая шерсть - много компонентные с реды с непостоянной и неоднородной массовой плотностью, состоящие из шерстяного волокна от 11 до 60 % и инородных примесей от 40 до 89 % Качественный и количественный состав немытой шерсти зависит, в первую очередь, от результатов селекционной работы при выведении той или иной породы или типа овец и условий их содержания и разведения.
Из многообразия компонентов, присутствующих в немытой шерсти овен, особый интерес для селекционных и зоотехнических мероприятий представляет количественная характеристика шерсти шерстяное основание. Для определения кератина (шерстяного основания), который химически не связан с другими компонентами присутствующими в образце немытой шерсти и имеет постоянную плотность для условий испытания, достаточно определить плотность образца немытой шерсти и суммарную массовую плотность инородных примесей шерсти. Это знание и легло в основу метода. Под инородными примесями подразумевается влага, жиропот, растительный сор, минеральные примеси, базовые загрязнения и т.д. При этом, удаётся, определить шерстяное основание в испытуемой пробе немытой шерсти инструментально, ие разрушая её, исключив технологические операции промывки, сушки, сжигания, экстракции образца и тл.
Плотность инородных примесей шерсти в немытой (с учетом их количественного и качественного суммарного состава) - величина переменная (0.95 г/см'^ р„р ,2.2 г/см1) и функционально зависимая от многих факторов (условий содержания, природно-климатической зоны разведения oseu, вида шерсти и т.д.). Плотность немытой шерсти также величина переменная, функционально зависимая от количественного и качественного состава инородных примесей и теоретически может находится в пределах 1.18 г/см' J-p^^ ^1.58 г/см'). Получены экспериментальные данные массовой плотности в воздушной среде для однородной мериносовой шерсти - (130174 - 130355 г/см ') и тонкой помесной - (1.29986 - 1.30230 г/см') с погрешностью определения 0.022< е .0.028 г/см1. Для практических целей при определении выхода чистой шерсти величина массовой плотности шерсти принималась равной 131 г/см1.
В основу разработанного метола взят газовый закон, показывающий, что для
двух состояний газа, определённой массы при неизменной температуре выполня
ется соотношение pv - piV|= Const (2-1)
где: pv - начальное состояние газа, р - давление газа в кг/см\ v - объём газа в см1, piV] - конечное состояние газа.
На рис. 1 соотношение газа представлено графиком, представляющим собою равнобочную гиперболу, называемую в физике изотермой.
И| ,
V
Рис. 1 График зависимости давления газа от объёма при заданной температуре.
Выявление действительного содержания шерстяной массы (кератина) немытой шерсти, объективность её определения - основа оценки качества её как в производстве, так и на шерстяном рынке страны.
Анализ показывает, что массовая плотность немытой шерсти, находится в функциональной зависимости от массовой плотности шерсти и примесей, присутствующих в немытой шерсти и их количественного и качественного соотношения. Эта зависимость на базе экспериментальных данных в виде графика представлена на рис. 2 кривой второго порядка уравнением вида:
у = ах2-вх + с (2.1)
Применительно к испытуемым пробам немытой шерсти с определёнными параметрами массы (веса), занимаемым объёмом немытой шерстью в пробе, плотностью немытой шерсти » неизвестной ллотностью инородных примесей уравнение второго порядка (2.1) принимает вид:
(а - в)рг„р+ (с - к + д)р„р + М = 0 (2.2),
хорошо согласующее с соотношением шерстяного волокна (кератина) относитель-
но инородных примесей, присутствующих в немытой шерсти,
где: (а-в) , (с-к+д) и М - постоянные величины функционально выражаемые через массу, объём, массовые плотности кератина и немытой шерсти пробы.
Массовая платность компонентов нсыытой шерсти, г'сыЗ
Рис. 2 Соотношение компонентов (шерсть - инородные примеси) от массовой плотности немытой шерсти
Решение функциональной зависимости вида (2.2) применительно к каждой исходной пробе немытой шерсти позволяет определить плотность её инородных примесей. Определив плотность инородных примесей, и зная постоянное значение плотности шерсти, определяют шерстяное основание.
По полученным значениям массы М испытуемой объединённой или лабораторной пробы немытой шерсти и занимаемого её объёма V, определённую на установке, рассчитывают её массовую плотность в соответствии с выражением
PlH11 = M/V. (2.3)
Суммарную массовую плотность инородных примесей (рпр), присутствующих в образце немытой шерсти, рассчитывают по формулам,- которые являются корнями уравнения (2.2) для случаев:
а) -для рна1> рш:
-()MJ-4MVp01t-V1p1ta)»^yMJ-
р., (2.4)
JtV'pv-MV»
б) -ДЛЯРнш < Pui!
.(JMJ-4MVpi,+vVj-yUM''-4MV(li,+VV.)-*M(VJ(l.-MV)UMp.-V:pw-2M(ii_)
p,= (2.5)
2 (У1 p. -MV>
Расчет шерстяного основание в единицах массы производят по формуле
т =-
(2.6),
где:
т - шерстяное основание в испытуемом образце немытой шерсти в г; А/- масса исходного образца немытой- шерсти в г; V' объём образца немытой шерсти вел*1; рщ - значение плотности шерсти (кератина), равное 1.31 г/см*\ р„р - значение плотности инородных примесей присутствующих в испытуемом образце в г/см';
р-значение плотности испытуемой пробы немытой шерсти b^cw'.
При этом исходный образец при испытании не подвергается каким либо изменениям за счёт посторонних механических, химических или иных сил. Следовательно, один и тот же образец немытой шерсти можно представить к повторным испытаниям (при возникших сомнениях в полученных результатах) или к контрольным (при возникших разногласиях между поставщиком и потребителем немытой шерсти).
Определение объёма испытуемой пробы немытой шерсти (кератин + инородные примеси) по предложенному методу осуществлялось на макете установки, разработанной и изготовленной в НИИЗПОШ. Её схема представлена на рис, 3.
Калибровка установки производится помещением в рабочий сосуд (Рс) физических тел с известными объёмами с последующим замерами каждый раз избыточного давления между манометрическими ветвями. В качестве эталонов для ка-
либровки установки (табл. 1) были взяты два физических тела с известными объёмами, при условии, что объёмы немытой шерсти испытуемых проб по абсолютной величине находятся в области между численными значениями эталонных объёмов, т.е. V,,^-VBU,^ V,-.
Рис. 3 Технологическая схема установки, реализующей способ определения выхода шерстяного основания в немытой шерсти.
( ""*- источник избыточного давления осушенного воздуха. 1 - кран, изолирующий источник воздуха избыточного давления от установки. М - образцовый манометр, обеспечивающий стабильность избыточного давления в рабочей и вспомогательной манометрических ветвях. 2 и б - краны, изолирующие манометрические ветви. 3 - кран, изолирующий рабочий сосуд от вспомогательного первой манометрической ветви. 4 - Кран, изолирующий вспомогательные объемы второй манометрической ветви. 5 кран, изолирующий ветви дифференциального манометра. 7,8 - краны, разгружающие манометрические ветви от избыточного давления в атмосферу. Вс 1а, Вс 2а и Вс 2 б - вспомогательные сосуды первой и второй манометрических линий. Рс - рабочий сосуд. Д.М. - дифференциальный манометр.
Погрешность (е) результата измерения высоты водного столба жидкости (h) на экспериментальной установке при её калибровке была определена с вероятно* стью а - О. 95 и составляла е = ± 0.548 %.
Таблица І
Результаты калибровки лабораторной установки, (п=20)
По экспериментальным данным находится линейная зависимость избыточного давления от объёма эталона для установки с принятыми начальными условиями для манометрических ветвей с их элементами (Р в лш НгО, V в см > на рис. 4, Из графика следует, что 1 .\ш водного столба равен 0.665 см'.
Vcm*
Рис. 4 График зависимости давления от объёма при начальном (рабочем) давлении 2.0 кг/см'
По окончании калибровки приступают к исследованию проб немытой шерсти, помещая их рабочий сосуд п считывая величину избыточного давления, пропорциональную объёму немытой шерсти в пробе.
Объём но-весовой метод оценки выхода шерсти состоит.из следующих последовательных технолопіческих операциЛ: отбора исходной пробы шерсти; её взвешивания; определении занимаемого объёма немытой шерстью; расчёта .массо-
вой плотности немытой шерсти испытуемой пробы (ркш) по формуле 2.3; расчета массовой плотности инородных примесей (р,,,,) по формулам 2.4 и 2.5; расчета шерстяного основания в пробе немытой шерсти и выхода чистой массы по формуле 2.6.
При реализации объём но-весового метода оценки шерстяного основания немытой шерсти не требуется осуществлять операций, направленных на удаление инородных примесей из испытуемой пробы. В этом случае, сохранность образиа гарантированна и его, возможно, использовать для повторных испытаний. При расчетах используется компьютер, что существенно сокращает время па производство расчётов. Зная величину шерстяного основания, не представляет особого труда рассчитать кондиционно - чистую массу шерсти для любых выходов, используемых в практике шерстяных комплексов мира для различных целей; зоотехнических, селекционных или коммерческих.
