Хольшев Николай Васильевич. Совершенствование технологического процесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей шнеколопастным смесителем

brief description

Хольшев Николай Васильевич. Совершенствование технологического процесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей шнеколопастным смесителем: диссертация ... кандидата технических наук: 05.20.01 / Хольшев Николай Васильевич;[Место защиты: Мичуринский государственный аграрный университет].- Мичуринск, 2015.- 209 с.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
(ФГБОУ ВПО "ТГТУ")
На правах рукописи

Хольшев Николай Васильевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ПРИГОТОВЛЕНИЯ СУХИХ РАССЫПНЫХ КОРМОСМЕСЕЙ
ШНЕКОЛОПАСТНЫМ СМЕСИТЕЛЕМ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Ведищев Сергей Михайлович
Тамбов 2015

РЕФЕРАТ
Диссертация состоит из 177 страниц машинописного текста и содержит 9 таблиц, 49 рисунков, список литературы из 193 наименований, а также 12 приложений.
Ключевые слова и словосочетания: шнеколопастной смеситель, смешивание, перебрасывающая лопасть, комбинированные рабочие органы, чередующиеся участки, перемешивающе-транспортирующая лопатка, мощность, время смешивания, производительность, физико-механические свойства, коэффициент вариации, удельные затраты энергии.
В работе приведен обзор и анализ смесителей кормов и их рабочих органов, а также состояние исследований процесса смешивания сухих рассыпных кормов.
Описана конструктивно-технологическая схема шнеколопастного смесителя кормов с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, выявлено влияние физико-механических свойств смешиваемых компонентов и конструктивно-режимных и технологических параметров смесителя на удельные затраты энергии процесса смешивания.
Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования влияния физико-механических свойств смешиваемых компонентов и конструктивно-режимных и технологических параметров шнеколопастного смесителя на удельные затраты энергии на процесс смешивания.
Опытный образец шнеколопастного смесителя внедрен в кормоцехе колхоза-племенного завода имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области. Дана технико-экономическая оценка эффективности его применения.

з
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1 Особенности приготовления сухих рассыпных кормовых смесей. Зоотехнические требования к смесителям кормов 14
1.2 Анализ устройств для приготовления сухих рассыпных кормосмесей 17
1.3 Анализ результатов исследований смешивания сухих рассыпных смесей ... 48 Цель работы и задачи исследований 71
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ШНЕКОЛОПАСТНОГО СМЕСИТЕЛЯ 73
2.1 Описание конструктивно-технологической схемы предлагаемого шнеколопастного смесителя 73
2.2 Обоснование параметров шнеколопастного смесителя 75

2.2.1 Факторы, влияющие на процесс смешивания 75
2.2.2 Определение полезного объема бункера 75
2.2.3 Обоснование конструктивных параметров шнекового участка 78
2.2.4 Обоснование конструктивных параметров участков перемешивающе-транспортирующих лопаток 79
2.2.5 Обоснование конструктивных параметров участка перебрасывающих лопастей 81
2.2.6 Определение производительности шнеколопастного смесителя 83
2.2.7 Обоснование частоты вращения рабочего органа 87
2.2.8 Определение мощности, потребляемой на процесс смешивания
в шнеколопастном смесителе 90
Выводы 99
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 101
3.1 Программа экспериментальных исследований 103
3.2 Общая методика экспериментальных исследований 103

4
3.3 Методики определения физико-механических свойств кормов 105
3.4 Техника отбора проб из смеси 111
3.5 Методика определения коэффициента удельного сопротивления перемещению лопатке и лопасти 113
3.6 Методика экспериментального исследования влияния угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток на потребляемую мощность и качество смеси 116
3.7 Методика проведения экспериментальных исследований по определению рациональных значений режимных и технологических параметров шнеколопастного смесителя 120
4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ 126
4.1 Результаты исследований физико-механических свойств смешиваемых кормов 126
4.2 Результаты экспериментального определения удельного сопротивления перемещению лопатки и лопасти 127
4.3 Экспериментальное обоснование рационального значения угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток 129
4.4 Проверка сходимости теоретических значений потребляемой мощности с экспериментальными 133
4.5 Обоснование рациональных значений режимных и технологических
параметров шнеколопастного смесителя 136
Выводы 142
5 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА ШНЕКОЛОПАСТНОГО
СМЕСИТЕЛЯ КОРМОВ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ 145
5.1 Результаты производственной проверки шнеколопастного смесителя 145
5.2 Оценка экономической эффективности применения
шнеколопастного смесителя кормов 147
Выводы. . 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154

5
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 156
ПРИЛОЖЕНИЯ 178

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Одной из важнейших отраслей народного хозяйства, обеспечивающих население продуктами питания, а перерабатываю¬щую промышленность сырьем, является животноводство. В настоящий момент доля импортного мяса по разным сведениям колеблется от 22 до 35% [23,141,192]. Согласно «Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации» (Указ Президента Российской Федерации от 30 января 2010 г. № 120) значительная доля основных продовольственных товаров должна производиться непосредственно внутри страны в частности - мяса и мясопродуктов (в пересчете на мясо) – не менее 85% [66,165]. «Стратегия машинно-технологической модер¬низации сельского хозяйства России на период до 2020 года» предусматривает увеличение потребления мяса и мясопродуктов до 80 кг на душу населения к 2020 году [176]. Достижение такого уровня потребления возможно либо за счет увели¬чения доли импортной составляющей, либо за счет развития и восстановления животноводческой отрасли страны, что является наиболее приемлемым путем решения данной задачи, в том числе с точки зрения продовольственной безопас¬ности страны. Большую роль в обеспечении нашей страны продовольствием игра¬ет Тамбовская область, являясь центром продовольственной безопасности.
В реализации задачи восстановления и развития производства продукции животноводства особое место занимают корма и кормление сельскохозяйствен-ных животных. На долю корма в себестоимости птицеводческой и животноводче¬ской продукции приходится по разным данным от 50 до 75% затрат [107,118,164,176]. Применяется большое разнообразие различных видов кормов, но, ни один из них отдельно взятый не может полностью обеспечить организм животного всеми необходимыми питательными веществами. Применение не сба¬лансированных кормов приводит к тому, что животные не могут максимально раскрыть свой генетический потенциал, отстают в развитии, больше подвержены заболеваниям, хуже поедают корм из-за выборочного поедания. Как следствие, возрастают затраты кормов на единицу животноводческой продукции, снижается

7 рентабельность. Зоотехнической наукой и практикой доказано, что кормление полнорационными кормовыми смесями позволяет повысить продуктивность жи¬вотных на 25…30%, снизить расход кормов на единицу продукции на 15…20% [16, 117, 137, 147, 176].
Значительную долю в составе полнорационных кормовых смесей занимают комбикорма. Так в рационе птицы они должны составлять 95…100%, свиней – 85…90%, крупного рогатого скота – 24…30% [18]. Большое значение при произ¬водстве комбикормов должно уделяться их качеству и соответствию потребно¬стям той или иной половозрастной группы животных или птицы [147, 187].
По данным Всероссийского научно-исследовательского института физиологии, биохимии и питания сельскохозяйственных животных Россельхоза-кадемии всего лишь 3 пробы, из 125 образцов комбикормов, взятых на 25 различ¬ных комбикормовых заводах, полностью соответствовали нормативным требова¬ниям. Использование некачественных комбикормов привело к повышению затрат на производство продукции животноводства относительно нормативных на мясо птицы – в 1,3 раза, свиней – в 2 и крупного рогатого скота – в 2,5 раза [147].
Производство качественных комбикормов возможно лишь при использова¬нии современного оборудования и технологии. Но применение более совершен¬ных технологий и оборудования нередко приводит к повышению удельных затрат энергии. Поэтому проблема снижения удельных затратах энергии на процесс при¬готовления полностью сбалансированных комбикормов является одной из важ¬нейших [147].
Производство комбикормов в России осуществляется на специализирован¬ных комбикормовых заводах и непосредственно в кормоцехах животноводческих хозяйств – около 46% от всего объема комбикормов [147]. Последнее представля¬ется более выгодным, так как позволяет снизить затраты на транспортировку и хранение продуктов в 5…10 раз, использовать более дешевое собственное сырье, осуществлять собственный контроль качества комбикорма еще на стадии произ¬водства, снизить стоимость комбикормов для хозяйства на 22…28% [147, 187]. Следует учитывать также, что при транспортировке готовых комбикормов на

8 большие расстояния качество их снижается за счет расслоения на составляющие, возникающего от неизбежной вибрации [118].
В приготовлении кормовых смесей важную роль играет операция по сме-шиванию компонентов, результаты которой решающим образом сказываются на поедаемости и усвояемости кормов, а, следовательно, и на продуктивности жи¬вотных. В состав кормовых смесей и комбикормов может входить от 10 до 50 различных компонентов [79,147]. В настоящее время затраты труда на приготов¬ление кормосмесей по данным ряда авторов составляют 45...60% от общих затрат на производство единицы продукции [18, 20, 99]. Поэтому снижение удельных за¬трат энергии на процесс смешивания имеет большое значение. Существующие смесители кормов обеспечивают, как правило, необходимую однородность кор-мосмеси, но имеют повышенные удельные затраты энергии. Кроме того большая часть выпускаемого комбикормового оборудования ориентировано на крупные объемы производства.
В связи с этим идет постоянный научный поиск наиболее совершенных и эффективных смесителей и технологических линий, отвечающих современным требованиям: ориентирование на возможность использования непосредственно в хозяйствах, малые габариты, пониженные удельные затраты энергии, достаточное качество корма [147]. Одним из путей снижения затрат энергии на единицу корма является совершенствование рабочих органов и режимов работы смесителей кор¬мов.
Диссертация выполнялась в соответствии с государственными контрактами № 9641-4 от 15 июня 2009 г. по теме «Совершенствование технологического про¬цесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей за счет разработки и обосно¬вания параметров шнеколопастного смесителя» и № 13986-4 от 28 декабря 2010 г. по теме «Совершенствование технологии приготовления сухих рассыпных кормо-смесей за счет оптимизации параметров шнеколопастного смесителя», финанси¬ровавшимися Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа "УМНИК"), а также в рамках ведомственной целе¬вой программы «Развитие научного потенциала высшей школы 2010…2011 годы»

9 и Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Фе¬дерации на 2011-2015 годы по проблеме 09: «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производст¬ва конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства».
Степень разработанности темы. Решением проблем приготовления кормов занимались многие ученые: А. М. Григорьев, Р.Л. Зенков, Г. М. Кукта, В.Г. Коба, В.И. Сыроватко, А.И. Завражнов, М.А. Тишенко, Першин В.Ф., Коновалов В.В., Чупшев А.В., Дёмин О.В., Утолин В.В., Астапов С.Ю., Мальцев Г.С., Соломатин Г.Г., Киямов И.М., Иванов А.Г., Васильева М.А., Боровиков И.А., Евсеенков С.В., Бойко Л.В., Иванова А.П., Мартынов В.К., Гунько В.В., Пискарёва Т.И. и другие. В результате их исследований совершенствовались технологические процессы и технологическое оборудование.
Анализ изученных работ показал, что недостаточно исследованным являет¬ся вопрос снижения удельных затратах энергии на процесс приготовления сухих рассыпных кормов за счет применения смесителей с комбинированными рабочи¬ми органами, выполненными с чередующимися участками, не исследованы транспортирующие и смешивающие возможности комбинированных рабочих ор¬ганов с чередованием функционального назначения их участков. Требуются даль¬нейшие исследования технологического процесса смешивания, изучение и разра¬ботка нового смесителя.
Научная гипотеза. Организация регламентированного движения компонен¬тов корма внутри бункера смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, позволит сократить время получения смеси, удовлетворяющей зоотехническим требованиям, снизить удельные затраты энер¬гии.
Цель работы. Снижение удельных затрат энергии на технологический про¬цесс приготовления сухих рассыпных кормосмесей путем применения новых ра¬бочих органов при сохранении качества, соответствующего зоотехническим тре-

10 бованиям.
Задачи исследования:
1. Разработать конструктивно-технологическую схему смесителя с новыми рабочими органами, позволяющими сократить время получения смеси, удовле¬творяющей зоотехническим требованиям.
2. Провести теоретические исследования влияния конструктивных и ре-жимных параметров шнеколопастного смесителя на время получения смеси и удельные затраты энергии.
3. Экспериментально определить рациональные значения конструктивных, технологических и режимных параметров шнеколопастного смесителя по показа¬телям качества смеси и удельных затрат энергии на процесс смешивания.
4. Провести производственные испытания шнеколопастного смесителя, дать технико-экономическую оценку его использования.
Объект исследований. Технологический процесс смешивания сухих рас-сыпных компонентов кормовой смеси в шнеколопастном смесителе с комбиниро¬ванными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки.
Предмет исследования. Закономерности изменения удельных затрат энер-гии и качества процесса от параметров рабочих органов и режимов смешивания сухих рассыпных кормосмесей шнеколопастным смесителем.
Научная новизна диссертационной работы:
- конструктивно-технологическая схема смесителя с комбинированными
рабочими органами, имеющими чередующиеся участки;
- теоретические зависимости времени цикла от массы загруженного корма, конструктивно-режимных параметров смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов;
- математические модели, описывающие влияние технологических и ре-жимных параметров смесителя и физико-механических свойств кормов на удель¬ные затраты энергии и неоднородность смеси.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты теоретиче-ских исследований являются основой для совершенствования смесителей сухих

11 рассыпных кормосмесей, расчета конструктивно-режимных и технологических параметров смесителей с комбинированными рабочими органами.
Разработан шнеколопастной смеситель сухих рассыпных кормосмесей пе-риодического действия новизна, которого подтверждена патентом на изобретение РФ № 2381725 «Смеситель кормов».
Полученные результаты исследований и разработок рекомендуются для ис¬пользования на животноводческих предприятиях при приготовлении сухих рас¬сыпных кормосмесей; научно-исследовательским и проектным организациям при проектировании смесителей; в учебном процессе высших учебных заведений сельскохозяйственного профиля.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выпол¬нялись с использованием методов прикладной теории динамики, механики сыпу¬чих сред и математического анализа.
Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепри¬нятыми методиками действующих ГОСТов, ОСТов и РД, а также частных мето¬дик с использованием сертифицированных приборов и оборудования. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов дисперсионного и рег¬рессионного анализа на ПЭВМ программами "MathCAD 14", "Excel 2007", "Borland Delphi 7.0", "Компас 3D V14".
Положения, выносимые на защиту:
- уточненная по типу рабочего органа классификация смесителей сухих рас¬сыпных кормосмесей;
- конструктивно-технологическая схема шнеколопастного смесителя с ком¬бинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, которые различаются по функциональному назначению и конструктивному исполнению;
- аналитические выражения для определения времени цикла, полезного объ¬ема бункера и мощности на процесс смешивания в шнеколопастном смесителе кормов в зависимости от его конструктивных и режимных параметров;
- зависимости влияния коэффициента наполнения бункера на частоту вра-щения рабочего органа;

12
- экспериментальные зависимости влияния частоты вращения рабочих ор¬ганов, коэффициента наполнения бункера смесителя, угла установки перемеши-вающе-транспортирующих лопаток и времени смешивания на неоднородность смеси и удельные затраты энергии на процесс смешивания;
- рациональные значения конструктивно-режимных и технологических па¬раметров машины;
- результаты производственных испытаний и технико-экономические пока¬затели работы смесителя кормов.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результа¬тов исследования подтверждается использованием апробированных методик, ГОСТов, ОСТов и РД, современной поверенной контрольно-измерительной аппа¬ратуры, достаточной повторностью измерений, сходимостью результатов теоре¬тических и экспериментальных исследований, выступлениями на научно-технических конференциях, публикациями в открытой печати, внедрением в учебный процесс и в производство.
Результаты исследований внедрены в условиях колхоза-племенного завода имени В.И. Ленина Тамбовского района, Тамбовской области. Лабораторная ус¬тановка и приборы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсужда¬лись на международных и всероссийских научно-практических конференциях в ФГБОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» (2009 – 2010 г); ФГБОУ ВПО «Тамбовский ГТУ» (2009 г); ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2011 г); ФГБНУ ВНИИТиН (2011 г); ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011 г); ФГБНУ ВНИИМЖ (2015 г).
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных ра¬бот в ведущих научных и научно-технических журналах, из них 3 статьи в журна¬лах, рекомендованных ВАК (4,46 п.л., из которых 1,52 приходится на долю авто¬ра) и получен 1 патент РФ на изобретение.

13 Объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы и список использованных источников из 193 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста и содержит 9 таблиц, 49 рисунков и 12 при¬ложений.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основании уточненной классификации смесителей кормов разработана новая конструктивно-технологическая схема шнеколопастного смесителя с ком¬бинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки (патент РФ № 2381725), позволяющими снизить время смешивания за счет организации движения компонентов корма в бункере и уменьшить удельные затраты энергии на процесс смешивания до 0,82…0,85 кВт∙ч/т.
2. Теоретические исследования позволили:

- получить зависимости изменения: полезного объема бункера смесителя (2.11) от его конструктивных параметров и коэффициента, учитывающего объем рабочих органов; средней высоты смеси в бункере от коэффициента наполнения бункера (2.12) и (2.13);
- выявить влияние массы загруженного корма, конструктивно-режимных параметров смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов на время цикла (2.26) и мощность (2.85) на процесс смешивания.
3. Экспериментальные исследования позволили:
- выявить зависимости неравномерности смешивания, мощности и удель-ных затрат энергии на процесс смешивания от конструктивно-режимных и техно¬логических параметров;
- определить рациональные значения параметров шнеколопастного смеси¬теля: угол установки перемешивающе-транспортирующих лопаток - 65˚; частота вращения рабочих органов - 53,1...57,0 мин-1; время смешивания - 270...360 с; ко¬эффициент наполнения бункера - 0,3...0,32.
При рациональных значениях параметров удельные затраты энергии на процесс смешивания находятся в пределах 1,25...1,85 кВт∙ч/т, а неоднородность смеси составляет соответственно 10...6,4%.
4. Производственная проверка предложенного шнеколопастного смесителя,
проводившаяся в колхозе-племенном заводе имени Ленина Тамбовского района
Тамбовской области, показала, что он в сравнении со смесителем КУ-100 за счет

155 организации движения компонентов корма внутри бункера, имеет улучшенные показатели: неоднородность ниже на 39,0% (v=6,1%), при этом производитель¬ность выше на 9,4%, а удельные затраты энергии на процесс приготовления смеси ниже на 17,5% и составляют 1,37 кВт∙ч/т. За счет снижения удельных затрат энер-гии годовой экономический эффект составит 33288 рублей, срок окупаемости 2 года 11 месяцев.