МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ процесса

На правах рукописи

Межуева Лариса Владимировна

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

процесса смеСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ

05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Оренбург – 2008

Работа выполнена в отделе биотехнических систем Оренбургского научного центра Уральского отд. РАН

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор А. П. Иванова

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Н.К. Комарова

доктор технических наук,

профессор З.В. Макаровская

доктор технических наук,

профессор Т.М. Зубкова

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства

Защита диссертации состоится «26 » декабря 2008г. в «10» часов на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 ФГОУ ВПО Оренбургском государственном аграрном университете по адресу: 460795, ГПС, г.Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Оренбургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан « 26» ноября 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор М.М. Константинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приоритетным национальным проектом «Развитие АПК России» предусмотрено стимулирование развития малых форм хозяйствования, к которым относятся крестьянские (фермерские) хозяйства. Как отметил академик Россельхозакадемии Н.В.Краснощеков: «Развитие МФХ невозможно без перехода от ручного труда и «народных» технологий, на которых базируется производство сегодня, к применению современных технологий и средств малой механизации». Приоритеты и обеспечение реализации поставленных задач возможны лишь при наличии фундаментальных, базовых, научных основ, т.к. дефицит технологий по производству сырья и готовой продукции негативно сказывается на эффективном использовании мощностей и конкурентноспособности хозяйств.

Принципиально важно учитывать то обстоятельство, что процесс кормопроизводства необходимо рассматривать не только в масштабах крупного животноводческого комплекса, но и в приложении к малым и фермерским хозяйствам, удельный вес которых в АПК составляет в среднем по России 27-29%.

В общем процессе производства продукции животноводства на долю кормов приходится более половины затрат в ее себестоимости. В связи с этим вопросы получения однородных кормосмесей, сбалансированных по питательным элементам приобретают первостепенное значение.

Создание однородной кормовой массы является весьма сложной технологической задачей, зависящей от множества независимых друг от друга характеристик. Использование комплексного подхода к процессу получения кормосмесей, включающего такие технологические подходы, как подготовка кормовых компонентов, водоподготовка и смешивание, функционально связанных между собой, позволило бы создать предпосылки к повышению эффективности получения однородной смеси. Комплексная разработка оптимального технологического процесса на базе универсальных высокоэффективных аппаратов, экономически выгодных для фермеров, с выходом на качественные характеристики кормов, позволяющие повысить продуктивность животноводства, является ключевой проблемой на сегодняшний день.

Цель исследования – выявление общих закономерностей, позволяющих повысить эффективность процесса приготовления однородной кормовой смеси с разработкой ресурсосберегающих технологий и технических средств для фермерских хозяйств.

Объект исследования – процессы подготовки кормовых компонентов разной влажности и их смешивания в вибросмесителях.

Предмет исследования – закономерности и взаимосвязи технологических процессов получения качественных кормов.

Задачи исследования:

1) Дать аналитическую оценку современному состоянию и особенностям организации кормовой базы для животных с разработкой методологии исследований, создающей основы повышения эффективности приготовления однородных кормосмесей.

2) Обобщить результаты научных исследований по обоснованию технологических требований к производству однородных кормовых смесей с целью возможного научного прогнозирования качества продукции.

3) Разработать теоретические модели и принципы, позволяющие исследовать процессы водоподготовки, подготовки кормовых компонентов и вибросмешивания.

4) Разработать технологические схемы подготовки кормов к скармливанию и водоподготовки, повышающие качество и снижающие энергоемкость процесса приготовления кормосмесей.

5) Исследовать основы проектирования конструкции вибросмесителя со сменными рабочими поверхностями для малых ферм.

6) Исследовать надежность работы технической системы, обеспечивающих ожидаемую вероятность безотказной работы.

Научная новизна работы:

Определены тенденции развития кормовой базы с разработкой методологии исследований, создающей основы повышения эффективности получения однородной кормосмеси.

Разработана имитационная модель параметрического синтеза процесса получения однородной кормовой массы на основе комплексного подхода, включающая подготовку кормокомпонентов, водоподготовку и смешивание, с последующим контролем качества готового продукта;

Выведена теоретическая концентрация ключевого компонента для сыпучей и влажной смеси, позволяющая прогнозировать качество продукции.

Предложены методики определения и оптимизации структурно-параметрических элементов системы приготовления однородной кормовой смеси.

Разработаны способы, конструкции, методы, обеспечивающие повышение качества приготавливаемых кормосмесей и снижение энергоемкости процесса смешивания с рекомендациями по проектированию конструктивно-геометрических элементов, обеспечивающих процесс с оценкой качества кормосмесей разной влажности, определены режимные составляющие получения продукции.

Представлена информация о надежности функционирования вибросмесителей, создана концептуальная модель исследования вибросмесителей, позволяющая определить экономичные и технически оправданные конструктивные решения с условиями их эксплуатации.

Предложен комплекс показателей надёжности, позволяющий прогнозировать вероятность безотказной работы смесителей вибрационного действия.

Практическая ценность работы:

Предложенное научно-теоретическое, методическое и программное обеспечение работы дает возможность повысить эффективность приготовления однородной кормосмеси, улучшить ее качество с возможностью научного прогноза и провести оценку готовой кормосмеси с разным процентом влажности, обеспечить получение кормовых продуктов с заранее заданными свойствами при снижении затрат на их производство.

Разработаны: высокоэффективные способ и устройство для очистки воды, позволяющие учитывать в технологических процессах смесеприготовления ее разнообразие форм, видов и фракционного состава; способ перемешивания кормокомпонентов в вибросмесителе, который по величине вибрационного импульса и площади виброконтакта дает возможность определить режимные параметры технологического процесса получения кормосмеси заданной однородности; компьютерная программа по управлению качественными характеристиками процесса вибросмешивания, использующаяся для выявления и исключения получения потенциально не однородной кормосмеси.

Разработанный технологический процесс смесеприготовления на базе устройств, адаптированных к различным уровням обеспечения фермерских хозяйств, позволяет учитывать свойства кормокомпонентов с различными влажностными характеристиками при получении однородной смеси, а также снизить энергоемкость процесса.

Предложен программный продукт, позволяющий определять комплекс показателей надёжности смесителей вибрационного действия на этапе их проектирования и обеспечивающий функционирование систем приготовления комбикормов.

Апробация работы.

Результаты исследований рассмотрены и одобрены на: Международном симпозиуме "Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания" (КемТИПП, Кемерово, 2002); третьей Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (ГНУ ВИЭСХ, Москва, 2003); Всероссийских научно-практических конференциях "Оптимизация сложных биотехнологических систем" (ГОУ ОГУ, Оренбург, 2003) и «Перспективы развития пищевой промышленности России» (ГОУ ОГУ, Оренбург, 2005); 4, 5, 6,7 Международных научно-практических конференциях (ВНИИМЖ 2004, 2005, 2006, 2007, 2008г.г.); Семинарах Оренбургского государственного аграрного университета (1999 – 2008г.г.); Теоретические исследования с технической реализацией результатов удостоены диплома лауреата премии администрации Оренбургской области в сфере науки и техники за 2005 год, сертификата Торгово-промышленной палаты г. Оренбурга, 2003г, диплома ярмарки бизнес-ангелов и инноваторов «Российским инновациям – российский капитал», проходившей в г. Саранске 26-27 апреля 2006г., диплома и бронзовой медали «YII Московского международного салона инноваций и инвестиций», Москва ВВЦ 2007г.

Реализация результатов исследований

Разработанные принципиально новые технологии получения корма и очистки воды, варианты конструкций вибросмесильного оборудования внедрены в хозяйствах Оренбургской области, таких как муниципальном частном предприятии “Фермерстройсервис”, ООО "Совхоз Никольский", Покровском с/х колледже, в ООО «Бородино-Оренбург».

Новые технические решения положены в основу конструкции вибросмесителя для перемешивания зернового сырья, включенной в план реализации 2005г. «Оренбургского станкостроительного завода».

Рекомендации по проектированию конструктивно-геометрических элементов, обеспечивающих вибросмесильный процесс, внедрены Украинским гос. Центром испытания с\х техники. Научные рекомендации по режимному ведению процесса смешивания сыпучих кормовых смесей и проектированию конструктивно-геометрических элементов, обеспечивающих вибросмешивание (утв. Россельхозакадемией), а также учебное пособие «Биотехнологические аспекты производства влажных смесей» внедрены в учебный процесс технических специальностей аграрных вузов России и ближнего зарубежья при чтении лекций, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсового и дипломного проектирования.

На защиту выносятся следующие положения:

методология исследований, позволяющая разработать пути повышения эффективности получения однородной кормосмеси;

концептуальные аспекты разработки технологий обработки кормовых компонентов, водоподготовки и новой вибросмесительной техники;

математическая модель параметрического синтеза, позволяющая оказывать влияние на протекание технологического процесса и определять теоретическую концентрацию, как прогнозирование качества кормовой смеси разной влажности;

новые способы и конструкции, обеспечивающие повышение качества приготавливаемых кормосмесей, надежности и снижение энергоемкости процесса смесеприготовления с оценкой качества кормосмесей разной влажности;

программные продукты по управлению качественными характеристиками процесса вибросмешивания и определению комплекса показателей надежности смесителей.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 54 научных и учебно-методических трудах (в том числе 2 монографиях, 13 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК, 3 препринтах, 2 научно-методических рекомендациях). Новизна технических решений защищена 17 патентами и 2 свидетельствами об официальной регистрации программы для ЭВМ РОСПАТЕНТа.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Современное состояние проблемы производства однородной кормовой смеси» обобщен материал и дана оценка научным исследованиям в области приготовления кормосмесей, с анализом работ, посвященных водоподготовке, подготовке кормосоставляющих и их смешивания в аппаратах вибрационного действия с последующей оценкой качества смешивания, а также применяемого оборудования для смесеприготовления.

Установлено, что на качество кормосмеси влияют свойства компонентов, входящих в ее состав; влажность и заданная однородность конечного продукта; технологические режимы и оборудование, используемое для смесеприготовления.

Исследования показали, что кормокомпоненты имеют определенную влажность, в результате чего проведена классификация корма в зависимости от содержания влаги: сухие - до 14% ; сухие рассыпные – 15…43% ; влажные рассыпные – 44…57%; кашеобразные – 58 … 72%; супообразные - 73 … 79%.

Известно, что вода для животных используется не только как источник для питья, но и для доведения корма до необходимой консистенции, способствующей усвоению корма в их организме, о чем свидетельствуют работы Александрова С.Н., Прокопенко Е.В., Артюшина А.А. и др., и от ее качества зависит и качество животноводческой продукции. Под качеством воды понимают содержание минералов, прежде всего, сульфатов, концентрация которых не должна превышать 3000 мг на 1 кг, т.к. это может вызвать болезненные расстройства в организме. Если вода насыщена железом, то необходимо ограничивать в рационе животного дополнительное железо, т.к. оно связано с усвоением других микроэлементов, таких как Ca, Mg, Cu, Zn. Нормальным считается содержание железа – 5мг на 1 кг. Комбикорма, как правило, уже содержат многие микроэлементы в необходимом количестве, поэтому для получения здорового потомства, экологически чистого мяса, необходимо воду для потребления животных подвергать очистке.

Современное кормопроизводство, обеспечивающее поступательное развитие животноводства, базируется на системных подходах к различным технологическим процессам и отдельным их операциям, важнейшей среди которых является смешивание многокомпонентных смесей.

Состояние проблемы производства однородной кормовой смеси, в частности проблема смешивания многокомпонентных смесей, во многом определена вкладом ученых Е.М. Клычева, Б.А. Комарова, В.В. Кафарова, Е.В. Алябьева, Ю.И. Макарова, А.М. Ластовцева, Ф.К. Новобранцева, В.И. Сыроватки, Е.А. Раскатовой, Г.М. Кукты, Ф. Стренка, З. Штербачека, П.И. Заики и других. Исследования, проведенные ими свидетельствуют, что наиболее целесообразным для производства кормосмеси малыми партиями, с часто меняющимся рецептурным составом, что характерно для фермерских хозяйств, является использование вибросмесителей, выбор и расчеты режимных параметров которого, как правило, проводят одновременно, что позволяет определить более экономичные и технически оправданные конструктивные решения и условия их эксплуатации. Повышение требований к условиям их работы и качеству продукции - это основные факторы, определившие необходимость в оценке надёжности техники. Вероятность возникновения хотя бы одного отказа вибросмесителя практически ведет к неработоспособному состоянию, а, следовательно, необходимы специальные меры, обеспечивающие их долговечность.

Использованием вибрации при смешивании компонентов корма как средством достижения однородности смеси близкой к заданной, занимались такие исследователи, как П.И. Леонтьев, Г.Е. Листопад, Н.Н. Мозгов, М.А. Талейсник, Н. Б. Урьев, И. Ф. Гончаревич, К. З. Фролов, И. Я. Федоренко, С.В. Евсеенков, П.Ф. Овчинников, И.И. Блехман, Р.Л. Зенков, А.П. Иванова и др. В результате анализа этих работ из всех моделей поведения сыпучей среды при вибрациях особое внимание было уделено сложным, комбинированным, поскольку ни одна из существующих отдельно взятых моделей изучаемого процесса, не дает представления о приоритетном влиянии отдельных компонент на ожидаемый результат.

Показателем качественного смешивания сыпучей смеси в работах Алешкина В.Р., Рощина П.М., Макарова А.М., Мельникова С.В., Г.М. Кукты, Воронцова И.И. и др. выступает критерий оценки качества смеси, позволяющий сравнивать теоретически совершенное смешивание с достигнутым. Однако, проанализировав эти критерии, оказалось, что каждый из них имеет свои недостатки. В решении вопросов получения качественного смешивания сыпучей смеси немаловажное значение занимают способы оценки качества кормосмеси. Несмотря на огромное количество существующих методов, большинство из них не могут претендовать на объективность сравнения при одновременной простоте проведения. При этом нельзя игнорировать влажность компонентов, оказывающую влияние на выбор способа контроля качества готовой смеси, позволяющего не нарушать сформированную целостность продукта.

Многообразие требований, предъявляемых к созданию кормосмеси, повышающей продуктивность животных и приводящих к снижению затрат корма на единицу продукции может быть достигнут совершенствованием процессов подготовки кормов к скармливанию и соответствующим контролем качества готовых кормосмесей. При этом необходимо для получения экологически чистой продукции рассматривать процесс водоподготовки как составную часть смесеприготовления, а для повышения пищевой ценности кормосмеси использовать вторичные сырьевые ресурсы перерабатывающей промышленности. Комплексный подход к рассматриваемой проблеме позволяет не только обеспечить данный процесс многофункциональной, мобильной, экономически доступной для фермеров, простой в эксплуатации конструктивной базой, но и гарантировать надежность работы технической системы, прогнозирующей ожидаемую вероятность безотказной работы.

Во второй главе – «Теоретическое обоснование технологических процессов и конструктивной базы смесеприготовления» приводится методология формирования показателей качества технологического объекта.

Специфика сферы приготовления кормов позволяет рассматривать формализованные взаимосвязи процесса, протекающего в рабочем пространстве оборудования, с особенностями поведения сырья и его свойствами, а также качественный выход продукта, представленный однородностью смеси.

Методологическая база является фундаментом для многоступенчатой и многозвенной структуры, которая включает в себя (рис.1) создание универсального мобильного многофункционального оборудования, исследование технологического процесса по режимам на базе особенностей движения приготавливаемой массы в рабочем пространстве аппарата, учет максимально возможного разнообразия свойств компонентов составляющих смесь, исследование качественных показателей конечного продукта, а именно, полученной кормосмеси.