автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оптимизация процесса гранулирования кормов

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУ ЛИРОВАННЫХ

КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ И ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ.

1.1. Производство и эффективность использования многокомпонентных гранулированных кормовых смесей.

1.2. Зоотехнические требования к гранулированным кормам.

1.3. Основные этапы технологического процесса гранулирования комбикормов

1.4. Анализ методов оптимизации механизированных технологических процессов сельскохозяйственного производства

1.5. Задачи исследования.i.

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ.

2.1. Системный подход к исследованию процесса гранулирования и выбор критериев его оптимальности

2.2. Теоретическое обоснование влияния матрицы плана эксперимента на точность математического описания процесса.

2.3. Экспериментальное исследование влияния плана на точность моделирования.

2.4. Разработка методики получения математической модели технологического процесса гранулирования.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОРМОВ.

3.1. Обоснование выбора метода оптимизации основных параметров процесса гранулировани

3.2. Разработка алгоритма оптимизации математической модели процесса с использованием метода штрафных функции . ЮЗ

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ.

4.1. Исследование влияния плана эксперимента на точность оптимизации процесса кондиционирования комбикормов в производственных условиях

4.2. Оптимизация процесса прессования комбикормов в производственных условиях

4.3. Оптимизация технологических и конструктивно-кинематических параметров механического кондиционера готовых гранул.

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА

ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВ.

5.1. Внедрение результатов работы

5.2. Оценка экономической эффективности применения разработанной методики оптимизации

Задачи, поставленные UJI съездом КПСС ( I ) в области удовлетворения потребностей советских людей в продуктах питания, конкретизированы в Продовольственной программе (2 ), принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС. Программой предусмотрено довести в XI пятилетке среднегодовое производство мяса до 17.17,5 млн.тонн, молока - 97.99 млн.т., яиц - 72 млрд. штук. В ХП пятилетке, соответственно, до 20.20,5 млн.тонн мяса, 104.106 млн.тонн молока, 78.79 млрд.штук яиц. Основным направлением реализации этих планов является перевод производства сельскохозяйственной продукции на промышленную основу, что в первую очередь предполагает наличие прочной кормовой базы, широкое внедрение комплексной механизации и автоматизации производства.

Пленум указал на необходимость усиления роли науки в реализации Продовольственной программы. В частности, было отмечено о необходимости разработки и внедрении новых технологий производства высококачественных кормов, позволяющих сохранить до 90% питательных веществ.

Одной из прогрессивных технологий заготовки кормов является производство гранул и брикетов из различных кормосмесей. Именно такой вид корма позволяет сбалансировать его по компонентам, улучшить качество и сократить потери. Поэтому в постановлении ЦК КПСС ( 3 ) отмечалась необходимость довести к 1985 году производство брикетированных и гранулированных кормосмесей до 14,24 млн.тонн.

Преимущества гранулированных и брикетированных кормов заключается в высокой эффективности их применения при откорме животных, благодаря возможности сохранения питательной, белковой и витаминной ценности исходной кормовой смеси, а также за счёт широкой механизации и автоматизации производственных процессов на всех этапах от приготовления корма до его раздачи.

В настоящее время отечественная промышленность освоила серийный выпуск и внедрила различные комплекты оборудования для производства кормосмесей в прессованном виде. Это 01М-0,8А, 0IM-I,5, ОГК-3, ОПК-2, ДГ-1, ПБС-3,5 и т.д. На их базе созданы типовые проекты цехов гранулирования и брикетирования кормов.

Однако, конструктивные схемы существующего оборудования и применяемые технологические приемы не всегда определены исходя из научно-обоснованных критериев оптимальности процесса. Научные исследования в этой области чаще всего направлялись на поиск условий получения максимального массового выхода продукции или минимальной удельной энергоемкости процесса. Мелщу тем, в последние годы зоотехнической наукой выдвигается требование о необходимости производства кормовых гранул и брикетов, отвечающих физиологическим запросам животных не только по их питательности, но и по физико-механическим свойствам таким как плотность, прочность, крошимость и ряда других. Очевидно, основной предпосылкой дальнейшего развития, совершенствования технологии и оборудования для производства прессованных кормов должно стать стремление получать гранулы и брикеты с определенными физико-механическими свойствами, обеспечивающими получение максимального выхода продукции животных при минимальных энергозатратах на их производство.

В разработку теории проектирования, исследования и расчета параметров оборудования для гранулирования и брикетирования комбикормов значительный вклад внесли такие советские учёные, как В.Р.Алешкин, Г.К.Васильев, А.Ю.Вашкявичус, И.А.Долгов, Н.Ф.Игнатьевский, В.Н.Кажуков, С.Е.Маркарян, С.В.Мельников, В.А.Мурованный, В.Ф.Некрашевич, С.М.Немтинов, Д.И.Николаев, -В.И.Особов, Ю.В.Подкользин, П.М.Рощин, А.Я.Соколов, В.В.Шевцов,

- $

С.В.Челышев и др. Вопросил оптимального проектирования оборудования и технологии производства прессованных кормов большое внимание уделяют и зарубежные фирмы: "Pfomill ", "RusseUe " (Франция); "FortschriTT " (Щ>); " Simon-ВаГГОП(Англия); "Buhler" (Швейцария);"Buhler-Miag" (фрг).

Однако в известных работах применяются недостаточно эффективные методы экспериментальных исследований, моделирования и оптимизации. Наиболее широко применяемые эмпирические методы однофакторного эксперимента, методы оптимизации, типа "перебора вариантов" или линейного программирования не позволяют выявить совокупного влияния значительного числа исследуемых факторов на выбранный критерий эффективности работы оборудования гранулирования кормов и оптимизировать технологический процесс в целом. В тоже время использование последних достижений теории системного анализа процессов, теории планирования эксперимента, методов нелинейного программирования и применение ЭВМ даёт возможность решить задачу оптимизации конструктивных и технологических параметров оборудования гранулирования на более высоком качественном уровне.

В связи с этим, поставленная в данной работе цель - разработать научно-обоснованную методику оптимизации технологического оборудования для производства гранулированных кормов, с учетом зоотехнических требований к ним - является задачей актуальной и экономически оправданной.

В предлагаемой диссертационной работе создана теоретически обоснованная и экспериментально проверенная в лабораторных и производственных условиях, пригодная для инженерного применения, методика экспериментального исследования, моделирования и оптимизации конструктивно-технологических параметров оборудования для приготовления гранулированных кормов с заданными физико-механическими свойствами.

На основании положений системного анализа выбраны наиболее значимые управляемые факторы и единый для всех этапов процесса критерий оптимизации - общая удельная энергоемкость линии в целом; на основании теоретических и экспериментальных исследований доказано влияние вида плана эксперимента на точность моделирования и оптимизации и выявлена группа пригодных планов; произведен сравнительный анализ различных методов оптимизации и выбран наиболее эффективный, который модифицирован с учетом конкретных требований; разработаны алгоритмы выполнения всех этапов поиска оптимальных параметров процесса гранулирования кормов; составлены рабочие программы, позволяющие выполнить все трудоемкие расчеты на ЭВМ. Опыт использования, предложенной методики в ряде научно-исследовательских, конструкторских и проектных организаций подтвердил её пригодность и экономическую эффективность.

Диссертационная работа является частью научно-исследовательской темы "Разработка перспективных технологий и средств приготовления кормовых гранул и брикетов с заданными свойствами" (J£ гос. регистрации 810042456), выполняемой Научно-исследовательской лабораторией гранулирования и брикетирования кормов Рязанского СХИ под руководством доцента В.Ф.Некрашевича, на основании постановления Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике №-286 от 22 июля 1981 года.

Народнохозяйственное значение диссертационной работы заключается в том, что предложенная автором методика позволяет разрабатывать оборудование и технологию производства гранулированных кормов с учётом выбранных критериев оптимальности, осуществлять модернизацию существующих технологических линий, повышать эффективность работы исследователей и проектировщиков за счёт применения рациональных планов экспериментального исследования и модифицированного метода оптимизации с использованием ЭВМ

-при выполнении трудоёмких расчётов.

На защиту выносятся следующие вопросы;

1. Результаты системного анализа технологической линии гранулирования кормов и обоснование единого критерия оптимальности всего процесса с учётом конструктивно-технологических и зоотехнических требований к оборудованию и получаемой продукции.

2. Результаты оценки влияния вида плана эксперимента на точность моделирования.

3. Методика оптимизации процесса гранулирования.

4. Результаты экспериментальной проверки и экономической оценки разработанного метода оптимизации процесса гранулирования кормов.

Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям профессору В.Т.Сергованцеву и доценту В.Ф.Некрашевичу за всестороннюю помощь при выполнении данной работы, а также коллективам Научно-исследовательской лаборатории гранулирования и брикетирования кормов и кафедры "Механизация животноводческих ферм" Рязанского СХИ за помощь в проведении экспериментальных исследований.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Весь процесс гранулирования, включающий кондиционирование корма, прессование и обработку гранул для наиболее полной и точной его оптимизации, рекомендуется исследовать с позиций системного анализа как единую агрегативную систему, которая характеризуется технологическими, конструктивными и кинематическими параметрами, влияющими на выбранный критерий оптимизации.

2. Процесс поиска оптимального режима следует рассматривать в виде замкнутой информационной модели, включающей систему задания управляющих воздействий, систему измерения контролируемых параметров и технологический процесс в виде агрегативной системы, в контуре обратной связи которых через оператора, выполняющего функции системы сопряжения, включена ЭВМ. На ЭВМ возлагается статистическая обработка результатов измерений, получение математической модели процесса, её оптимизация и выдача оптимальных управляющих параметров. При таком подходе создаются предпосылки к последующей автоматизации процесса путем замены оператора аппаратурой сопряжения.

3. В качестве критерия оптимизации следует выбирать удельную энергоемкость процесса гранулирования при соблюдении ограничений на качественные показатели гранул (крошимость, плотность, размеры частиц и т.д.), установленные ГОСТом или зоотехническими требованиями.

4. Установлено, что точность моделирования процесса определяется не только качеством проведения опытов, их повторностью и рандомизацией, но и видом плана эксперимента. Выявлено, что эффективными планами экспериментальных исследований в области гранулирования кормов являются точные насыщенные Аг и Дт -опти-- малыше симметричные и композиционные трехуровневые, планы

Бокса.

5. Предложенная в работе методика поэтапной коррекции матрицы плана эксперимента позволяет построить план, уменьшающий действие неконтролируемых и неуправляемых факторов на критерий оптимизации и получить адекватную математическую модель процесса при минимальном числе опытов.

6. На основе анализа геометрического вида математических моделей основных этапов процесса гранулирования кормов показано, что наиболее эффективным методом решения задачи оптимизации процесса с учетом ограничений на качество гранул для различных видов животных является модифицированный в работе метод штрафных функций, позволяющий свести задачу оптимизации с ограничениями к задаче без ограничений.

7. По результатам оптимизации процесса гранулирования комбикорма для кроликов на оборудовании 0ГМ-0,8 с электрическим кондиционированием кормосмеси рекомендуется следующий оптимальный режим: влажность кондиционированной кормосмеси 10$, температура её нагрева 47°С, количество вводимой в кормосмесь мелассы 4,4%, пропускная способность пресса 500 кг/ч. При этом обеспечивается минимальная удельная энергоемкость процесса гранулирования 50,3 квт, ч/т и крошимость гранул не более 6$. В результате оптимизации процесса гранулирования соломистого корма для крупного рогатого скота получен оптимальный режим, обеспечивающий минимальную удельную энергоемкость процесса прессования 30,44 квт ч/т при доле соломы в рецепте 35$, среднем размере её часо ^ тиц 9,5-10 м, влажности кондиционированной кормосмеси 20$, зазоре между вальцом и матрицей 1,25*10~3м, отношении длины прессовальных канадов к их диаметру 6,4. При этом на качественные показатели гранул были установлены следующие ограничения: плотность 1,1 . 1,2 т/м3, крошимость 10 . 12$, степень измельчения частиц кормосмеси между вальцом и матрицей пресса не более 1,2.

8. Экономический эффект от применения оптимального технологического режима при эксплуатации модернизированного оборудования 0Ш-0,8 для гранулирования комбикормов кроликам составил 2,68 рубля на тонну готовых гранул. Использование для оптимизации процесса плана Бокса ( Bk,N=I4 ) по сравнению с полным факторным экспериментом (3 ,N=27), позволило снизить трудоемкость проведения экспериментальных исследований почти в два раза и получить экономию прямых затрат в размере 485,1 рубля.

9. Предложенный метод оптимизации процесса гранулирования кормов может быть использован при исследовании других механизио рованных сельскохозяйственных процессов.

1. Материалы 26 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981. - 223 с.

2. Продовольственная программа СССР на период до 1990 года и меры по её реализации. В кн.: Материалы майского Пленума ЦК КПСС 1982 года. М.,1982. - III с.

3. Абрамов А.И., Полунина Н.И., Зицерман М.Я. Гранулирование комбикормов. М.: Колос, 1969. - 102 с.

4. Абдиев Х.Х. Исследование влияния технологии производствана физико-механические свойства гранул травяной муки, характеризующие их способность к хранению: Дис. на соиск. учен, степ. канд.техн.наук. JI.-Пушкин, 1979. - 138 с.

5. Авраменко П.С., Яцко Н.А., Вербич О.А. и др. Эффективность различных способов обработки соломы при откорме бычков. -Животноводство, 1982, 8, с.38-40.

6. Адлер Ю.П., Грановский Ю.В., Маркова Е.В. Теория эксперимента: прошлое, настоящее, будущее.- М.: Знание, 1982,2, 62 е.- (Серия математика, кибернетика).

7. Адлер 10.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- М.: Наука, 1976. 276 с.

8. Александрова B.C. К технологии изготовления гранулированных комбикормов. Кролиководство и звероводство, 1978,1, с.13-14.

9. Армалис П.П. Исследование процесса образования гранултравяной муки и влияние технологических факторов её подготовки: Автореф. на соиск. учен. степ. канд.техн.наук. -Раудовдварис, 1970. 23 с.

10. Барсов Н.А. Оптимизация оборудования поточных линий кормоцехов. Мех.электр.сел.хоз-ва, 1981, 10, с.37-39.

11. Беломытцев Е.С., Шерстнев В.Ф. Производство и использование кормов в мясном скотоводстве. Животноводство, 1983,1, с. 45-48.

12. Беляевский Ю.И., Сазонова Т.Н. Полнорационные брикеты и гранулы для жвачных. М.: Россельхозиздат, 1977. - 240 с.

13. Богатов Б.Н. Моделирование и оптимизация процессов брикетного производства. М.: Недра, 1976. - 184 с.

14. Бойко И., Клинская М., Птицын В. и др. Кормовые смеси для откорма бычков. Животноводство, 1981, 6, с.47-48.

15. Боярский А.Г.Дзарданов В.Д. Производство и использование кормов в промышленном животноводстве.- М.; Россельхозиздат, 1980. 157 с.

16. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 530 с.

17. А.с. 638487 (СССР). Брикетный пресс (Рязанский СХИ им. П.А.Костычева; Авт. изобрет. С.М.Немтинов, В.И.Местюков. Заявл. 01.03.77 №-2458559 (25-27; Опубл. в Б.И.,1978, №-47, МКИ В 30 В 11/20.

18. Бронштейн, Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1980. - 974 с.20. ^узик В.А. Гранулированные комбикорма в кормлении свиней.-В кн.: Комбикорма в животноводстве. Тр.ВАСХНИЛ.- М.: Колос, 1973, с.I80-I9I.

19. Булатов А.П., Сартанов Т.Б. Эффективность использования гранулированных кормов. Животноводство,1982, 7, с.34-35.

20. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем.- М.: Наука, 1978.- 399 с.

21. Вагин Е.А. Эффективность механизации приготовления гранулированного корма.- Мех. и электр. сел. х-ва.- М.,1976,6, с. 22-23.

22. Валге A.M., Мороз А.К., Солодун В.И. и др. Оптимизация средств механизации на животноводческих комплексах.- Мех. и электр. сел.хоз-ва,- М., 1983, 9, с.32-34.

23. Вайстих Г.Я., Дарманьян П.М. Гранулирование кормов.- М.: Колос, 1979. 191 с.

24. Вайстих Г.Я. Технология производства гранулированных комбикормов и кормовых смесей.- (Серия комбикормовая промышленность.- М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1978. 47 с.

25. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач.- М.: Наука, 1981. 400 с.

26. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1969.- 576 с.

27. Геминтерн В.И., Штильман М.С. Оптимизация в задачах проектирования.- М.:3нание, 1982, 6. 63 с. (Серия математика, кибернетика).

28. Герасимович Л.С., Демидович. Н.Т. Оптимизация поточных электропастеризационных установок.- Мех. и электр. сел.хоз-ва, 1982, 12, с.24-27.

29. Глориозов Е.А., Ссорин В.Г., Сыпчук П.П. Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования.- М.: Советское радио, 1976. 224 с.

30. Горячкин В.П. Собрание сочинений, т.З.-М.: Колос, 1968.

31. Голикова Т.И., Панченко А.А., Фридман М.З. Каталог планов второго порядка,- М.: МГУ, 1974, т.1. Вып.47. 385 с.

32. Голосов А.И. Определение времени смешивания компонентов комбикорма.- Мех. и электр. сел.хоз-ва, 1978,2, с.15-18.35