автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности технологических линий утилизации отходов звероводства и птицеводства в сухие животные корма путём оптимизации их состава и совершенствования технических средств

На правах рукописи Малинов Геннадий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ЛИНИЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ЗВЕРОВОДСТВА И ПТИЦЕВОДСТВА В СУХИЕ ЖИВОТНЫЕ КОРМА ПУТЁМ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ СОСТАВА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Специальность: 05.20.01. - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург-Пушкин - 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете и Петрозаводском государственном университете.

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники

Р.Ф., доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сечкин Василий Семёнович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ковальчук Юзеф Константинович

доктор технических наук, профессор Мохнаткин Виктор Германович

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

Северо-Западный

научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗНИИМЭСХ) РАСХН.

Защита состоится «2/ » оря 2003 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГОУ «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, г.Санкт-Петербург-Пушкин, Санкт-Петербургское шоссе, 2, ауд.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан ок/ггА^в&ж*, г.

Учёный секретарь Диссертационного совета

Вагин Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность. Переработка отходов животного происхождения в звероводстве и птицеводстве в мясокостную муку (сухие животные корма) имеет ресурсосберегающий, экологический и энергосберегающий аспекты.

Ресурсосбережение - получение в хозяйствах высокопитательных белковых кормов из дешевого вторичного сырья: тушек зверей после забоя, тушек павшей птицы и др. Фактически ресурсосберегающий эффект заключается в использовании безотходной технологии и укреплении кормовой базы хозяйств за счет внутренних резервов основного производства.

Производство белковых кормов, как производное от решения задачи безопасной утилизации отходов звероводства и птицеводства (тушки зверей и птицы, отходы забойного цеха и цеха инкубации), имеет большое экологическое значение. Перерабатывая их, предприятия вносят значительный вклад в охрану окружающей среды, проводя одновременно работу по профилактике эпизоотий и инфекционных заболеваний животных и предотвращению передачи этих заболеваний человеку.

Энергосбережение возможно при использовании оптимального состава технологических линий приготовления сухих животных кормов (СЖК), предлагаемых конструктивных решений и режимов работы измельчителей сырья и костей, обеспечивающих минимальную энергоемкость рабочего процесса.

Учитывая вышеперечисленные аспекты приготовления СЖК в хозяйствах, которые вместе и по отдельности имеют большую экономическую эффективность, широкое использование предлагаемых технологий на птицефабриках и зверохозяйствах является актуальной задачей. Отчасти оно сдерживается несовершенством имеющихся машин и оборудования, поэтому выполненные исследования имеют научное и практическое значение.

Цель исследования - обоснование оптимального состава технологических линий, конструктивных схем, рабочих органов и режимов работы входящих в них машин, обеспечивающих снижение затрат при производстве СЖК, отвечающих требованиям ГОСТ 17536-82, в условиях зверохозяйств и птицефабрик.

Научную новизну работы составляют:

• Методология системного подхода к оценке функционирования

поточных технологических линий (ПТЛУт

шшшш

библиотека 1

[ТО по-

ззш

зволило рассмотреть отдельные операции технологии во взаимосвязи, оптимизировать состав, структуру и режим работы поточной линии;

• Математическая модель, алгоритм и программа расчета на ПЭВМ рационального набора машин для комплектования ПТЛ в зависимости от характеристик используемого сырья;

• Методика и результаты имитационного моделирования на ПЭВМ процесса функционирования ПТЛ;

• Методика вероятностно-статистического моделирования ПТЛ СЖК марковским цепями по критерию затрат;

• Математическая модель влияния основных конструктивных факторов измельчителя с двухопорным режущим аппаратом на процесс измельчения мясокостного сырья;

• Математическая модель влияния основных конструктивных факторов молотковой дробилки на процесс измельчения шквары и кости;

• Математическая модель влияния основных конструктивных факторов вальцовой мельницы на процесс измельчения кости-паренки;

• Методика моделирования работы измельчителей вероятностными моделями накопления повреждений (В-моделями);

• Комплекс научно-технических разработок для модернизации линии приготовления СЖК (A.C. №1169573, 1660721 и др.).

Практическая ценность. Результаты исследований позволили повысить эффективность функционирования технических средств в линии приготовления СЖК в условиях небольших производств. В частности: рекомендован состав машин в ПТЛ для переработки жирового и жиросодержащего сырья в звероводстве; определен состав машин в ПТЛ для переработки маложирного сырья в птицеводстве; определены численные значения разрушающих напряжений и усилий для костей зверей и птицы сельскохозяйственного назначения; предложена конструкция измельчителя и режим его работы для мясокостного сырья; предложены рабочие органы и режимы работы молотковой дробилки и вальцовой мельницы для измельчения шквары и костей; предложены рабочие органы для транспортирования сырья и шквары и для модернизации смесителя горизонтальных вакуумных котлов.

Реализация результатов исследований. Работа проводилась по теме 10 в соответствии с планом НИР СПбГАУ (ЛСХИ) и координационной программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства сельского хозяйства РФ и РАСХН (ВАСХНИЛ) на 1985-90...2000 годы по решению на-

учно-технической проблемы 0.CX.102. и 0.51.12. С 1995 года в соот-

ветствйй^^а^делом 10.2,19. Аграрная политика Концепции социально** ! ' *

экономического развития Республики Карелия на период 1999-20022010 годы, задача 2 «Снижение затрат на производство с/х продукции и повышение ее конкурентоспособности на рынке».

Рекомендуемый состав технологических линий включен в систему машин «Системы ведения животноводства Республики Карелия на 1986-90г. и на период до 2000 года», разработанную в 1986 году.

Результаты исследований приняты для внедрения в системе хозяйств Карелзверопрома - 1986г., Петрозаводским мясоперерабатывающим предприятием - 1987г., Петрозаводской птицефабрикой -1999г., Министерством сельского хозяйства Республики Карелия -2001г.

Методики математического моделирования работы технологических линий приготовления кормов используются в учебном процессе ПетрГУ при изучении курса «Механизация технологических процессов животноводства», по специальности 311300 «Механизация сельского хозяйства».

Апробация. Основные положения работы докладывались:

• На международной научно-практической конференции Баренц Евро-Арктического региона «Животноводство на Европейском Севере: фундаментальные проблемы и перспективы развития», Петрозаводск, ПетрГУ, 1996 год;

• На международной научно-практической конференции «Социально-экономическое, духовное и культурное возрождение Карелии», Карельский научный центр Российской Академии Наук. Петрозаводск, 2000 год;

• На Научно-техническом Совете Зверопрома Российской Федерации, Всероссийский Выставочный Центр, г. Москва, 1986 год;

• На научных конференциях преподавателей и сотрудников СПбГАУ (ЛСХИ), г. Пушкин в 1985...2002 годах;

• На Научно-техническом Совете Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Карелия в 1998...2002 годах;

• На научно-методических конференциях преподавателей ПетрГУ, г. Петрозаводск в1980..2001годах.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 34 работах.

Объём работы. В диссертации 342 страницы, в том числе 32 страницы приложений. Она состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и предложений. В составе диссертации имеется 90 рисунков, 33 таблицы и список использованной литературы, включающий 363 наименования, из которых 12 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы и задачи исследования» на основе анализа литературных источников, производственного опыта хозяйств и наших предварительных исследований по технологиям утилизации кормовых отходов животного происхождения, рассмотрены:

• Состояние кормовой базы и перспективы производства СЖК в звероводстве и птицеводстве;

• Технологии производства СЖК, практикуемые на предприятиях агропромышленного комплекса;

• Состав машин и оборудования технологических линий и режимы их работы;

• Краткий анализ исследований по теме;

• Цель и основные задачи исследования.

В звероводстве и птицеводстве имеется сырьевая база для получения мясокостной муки (сухих животных кормов) внутри хозяйств на основе отходов животного происхождения, получающихся в результате производственных повторяющихся циклов. В среднем зверохозяй-стве (основное стадо 4...5 тыс. голов основного стада) выход сырья может составить до 300 т. в год. Аналогично, на птицефабрике с поголовьем 100... 150 тыс. кур-несушек выход сырьевых отходов достигает до 700 т. в год за счет падежа и отходов забойного и инкубационного цехов. Это важный внутрихозяйственный резерв для укрепления кормовой базы предприятий. В звероводческой отрасли переход на сухой тип кормления - это перспективный путь развития, так как позволяет значительно снизить себестоимость производимой продукции за счёт ликвидации затрат на содержание таких основных фондов, как холодильники, кормоцеха, автомобили-холодильники и др. Исследования Н.Ш.Перельдика, Г.С.Таранова, П.Т.Клецкина, В.С.Снытко, Е.С.Цветковой, Б.Д.Бабака, Ю.Т.Тихонова и др. показывают высокую эффективность использования сухих кормов в рационах зверей. В птицеводстве, практикующем сухой тип кормления, мясокостная мука используется давно, как белково-витаминная и минеральная добавка к концентрированным кормам растительного происхождения. Установлено, что наиболее часто используемый и эффективный способ утилизации кормовых отходов животного происхождения - это приготовление СЖК на технологических линиях с использованием горизонтальных вакуумных котлов, в которых выполняются три операции - варка,

сушка и измельчение сырья. По вопросам технологии производства СЖК и операциям переработки мясопродуктов и кости с/х животных известны работы А.И.Пелеева, А.В.Горбатова, В.М.Горбатова, Л.Т.Жайлаубаева, М.А.Котова, И.А.Рогова, А.А.Соколова,

B.И.Соколова, А.И.Сницарь, МЛ.Файвишевского, Т.В.Чижиковой и др. Методические основы теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов сельскохозяйственных машин и работы технологических линий разработаны академиком В.П.Горячкиным и получили развитие в трудах ведущих учёных в области механизации с/х производства: Л.Е.Агеева, В.Г.Еникеева, В.А.Желиговского,

C.А.Иофинова, Ю.К.Киртбая, А.Б.Лурье, С.В.Мельникова, Н.Е.Резника, В.С.Сечкина, Р.М.Славина и многих других известных учёных. Большой вклад в разработку машинных технологий и методы оптимизации состава и структуры технологических линий внесли: В.Р.Алёшкин, А.А.Артюшин, Н.В.Брагинец, Н.А.Барсов, Б.И.Вагин, И.А.Долгов, А.И.Завражнов, В.И.Земсков, Н.Ф.Игнатьевский, В.Г.Коба, Г.М.Кукта, Ю.К.Ковальчук, В.Ф.Некрашевич,

B.И.Сыроватка, В.А.Сысуев, Е.Н.Палецков и др. Значительные исследования по механизации переработки мясокостных кормов для зверей были выполнены на кафедре механизации животноводческих ферм Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (ЛСХИ). Это работы профессоров С.В.Мельникова, Б.И.Вагина, Н.А.Барсова и их учеников Ш.Н.Нуртаева, М.А.Трутнева, Б.В.Гарбарца, Я.С.Жинчина, В.И.Свиридова, А.М.Рыжука,

C.М.Демидова И.И.Акмолходжаева, В.А.Соляника и др.

Вопросы эксплуатационной надежности машин и оборудования рассматривались в работах Л.Е.Агеева, В.А.Аллилуева, Н.С.Ждановского, С.А.Иофинова, В.М.Кряжкова, А.В.Николаенко, В.Я.Сковородина, В.Ф.Скробача, Б.А.Улитовского, Д.И.Николаева, В.В.Калюги и др.

Анализ перечисленных научных работ показал, что наряду с глубокими исследованиями отдельных технологических и технических средств, не проведено комплексных исследований по повышению эффективности работы технологических линий производства СЖК в условиях зверохозяйств и птицефабрик. Выполненные ранее исследования не достаточны для решения ряда практических задач, связанных с этой проблемой и не обеспечивают дальнейшее внедрение экологически и экономически выгодной ресурсосберегающей технологии производства СЖК.

В соответствии с поставленной целью предусматривалось выполнение следующих основных задач исследования:

1. Теоретически обосновать методики вероятностно-статистического моделирования работы технологических линий в зависимости от входного потока сырья, отказов в работе линий, по критерию приведенных затрат различными методами.

2. Теоретически и экспериментально обосновать рациональные составы машин, оборудования и структуру технологических линий для приготовления СЖК с минимальными потерями сырья и затратами основных ресурсов (энергии, труда).

3. Исследовать входящие в линию и перспективные технические средства для переработки мясокостного сырья в СЖК; определить технологические, конструктивные и режимные параметры их рабочих органов с учетом физико-механических свойств сырья и реальных условий функционирования.

4. Обосновать методику моделирования работы измельчителей сырья, шквары и кости на основе вероятностных моделей «накопления повреждений».

5. Обосновать типоразмерный ряд технологических линий для приготовления СЖК и дать экономическую оценку предложенных решений для условий Республики Карелия.

Второй раздел «Теоретические предпосылки к обоснованию состава и оптимизации режимов работы линий приготовления СЖК» посвящен обоснованию и разработке методологий моделирования работы линий в зависимости от характеристик входного сырьевого потока, в зависимости от отказов машин и эксплуатационных затрат.

Эффективность функционирования - главное требование, которому должна удовлетворять любая система. С позиций системного подхода специфические особенности линии приготовления СЖК требуют уточнения и конкретизации. Они заключаются в следующем: изменение характеристик обрабатываемого сырья (вид, физико-механические свойства, гранулометрический состав, влажность, жирность) в процессе переработки, неравномерность поступающего сырья, неустойчивость параметров теплоносителя и др. Эти особенности требуют рассматривать работу линии как вероятностный процесс.

Применительно к ПТЛ СЖК, как к многоуровневой системе, можно выделить решаемые задачи следующих уровней:

• Изучение отдельных технологических операций (обоснование и выбор рабочих органов);

• Изучение работы отдельных машин в линии, оптимизации их конструктивных параметров и режимов работы;

• Изучение взаимодействия отдельных машин в линии, оптимизация структуры и состава ПТЛ;

• Изучение особенностей технологии приготовления СЖК в целом и дальнейшего их использования (выбор числа машин, производительности оборудования, вместимости компенсаторов между ними);

• Обоснование типоразмерного ряда цехов приготовления СЖК с учетом объемов производства.

Условное разделение технологического процесса на подсистемы и элементы удобно для решения конкретных задач.

Модель функционирования ПТЛ в целом и ее отдельные участки представлены на рис.1.

1 I I

Wвx(t>

МО

ш

(I) [гост

17536-82

1.,2 =/(У, I

а) ПТЛ в целом

1^1-

С>з

т

<32

V, Центр —► V, —» Изч.

б) В виде совокупных элементов Рис. 1. Модель функционирования ПТЛ СЖК для обработки жирового

сырья.

В качестве входных переменных приняты характеристики исходного сырья: подача С^, жирность С), влажность грансостав сырья ф. В качестве основных выходных параметров, оценивающих эффективность функционирования ПТЛ, приняты производительность <34, влажность жирность С и грансостав <1, на которые накладываются ограничения, определяемые ГОСТ 17536-82. Управляющие воздействия в модели: давление Р, температура Т и продолжительность обработки сырья I. К настроечным параметрам относятся: вместимости

компенсаторов 1| = Г (У2); \г = ? (Уъ), регулировка центрифуги по жирности на выходе С„ = А^пДг) и диаметр отверстий решет молотковой дробилки ёр.

Технологический процесс в целом представляет собой совокупность операций по разварке сырья, обезжириванию, сушке и измельчению, поэтому по технологическому признаку расчетную модель линии примем в виде совокупности элементов: вакуумного котла (ВК), центрифуги (Ц) и измельчителя (Др), обеспечивающих последовательное выполнение операций. Между ними предусмотрены компенсирующие емкости V], У2, Vз которые позволяют создавать и использовать запас сырья в тех случаях, когда производительности <3 машин не равны.

В реальных условиях эксплуатации добиться одинаковой производительности машин практически невозможно. Поэтому условие поточности, то есть согласованности машин в линии по ритму работы и производительности, принимает вид:

в. в2 в

-1-<--- <...<---, (1)

яI "2 "к

££.7, ХвгЪ £.6 Л

/=1 1=1 1=1

где - производственная программа для ]-го звена ПТЛ; О, - теоретическая производительность ¡-й машины; т|, - коэффициент использования времени ¡-й машины; п, - число однотипных машин, работающих параллельно.

То есть производительность каждого последующего звена в потоке должна быть больше или равна производительности предыдущего.

Для определения оптимального соотношения производительностей смежных машин р, = С^/СЬ и р2 = СЬ/СЬ и вместимости бункера V, между ними необходимо знать среднестатистические характеристики С, (1 входного потока ПТЛ и зависимости производительности машин от меняющихся характеристик сырья = Г (С,\У,<1).

2.1 Определение состава ПТЛ для обработки жирового сырья

методом имитационного моделирования Жирность С, влажность АЛ', крупность (1 сырьевого потока ПТЛ формируются в результате влияния большого числа факторов. Проведенный анализ условий формирования значений С, (1 показывает, что они имеют свойства, отраженные в центральной предельной теореме Ляпунова. Наиболее общим условием справедливости центральной теоремы является условие Линдберга:

lim "¿rÉ t )>rfl (x-mk)2fk(x)dx = 0,T>0, (2)

где Шк - математическое ожидание случайной величины; fk(x) -

плотность распределения этой величины; Bn = Hj^Dk ; D^- диспер-

v *r=l

сия.

Учитывая это, можно выдвинуть гипотезу, что содержание жира в сырье в течение i-ro периода обработки, распределено по нормальному закону с плотностью вероятности:

т- ' ехр[-1^1], (3)

сгл/2л" 2сг

где f(C) - плотность распределения жирности сырья; m - математическое ожидание жирности, %; о - среднее квадратическое отклонение жирности,%.

Аналогично нормальный закон распределения влажности W и крупности d сырья характеризуется плотностью вероятности:

/(*>= ' ехрс-.^)!]. /(¿) = -)=ехШ5) сгл/2 л 2сг аы2к 2а

Если значения параметров сырья, полученные в каждом периоде, независимы между собой, то можно воспользоваться правилом композиции законов распределения, суммируя математические ожидания и дисперсии.

Если гипотеза о нормальном законе распределения С, W, d не противоречит данным статистического исследования первичного материала, то предложенные распределения будут являться статистическими моделями С, W, d сырья входного потока ПТЛ.

Зависимости производительности машин от характеристик С, W, d сырья могут быть выявлены, если имеется достоверная выборка этих связей по наблюдениям при постоянных параметрах рабочих процессов машин (рабочие органы, их скорости, характеристики теплоносителя и др.). Эти зависимости могут быть представлены в виде линейной функции или полинома и будут являться статистическими моделями работы машин.

Для центрифуги - Qult, = Qm (а, ¡C2 + а12С + а13), (6)

Для сушилки - QC(tl = Qc„ (а2,W2 + a22W + а23), (7)

Для дробилки - 0дф = Qm (a3]d2 + a32d + а33), (8)

где <3,ф - фактические производительности машин; (},„ - номинальные производительности машин; ап, а12, ап, ... , а33 - коэффициенты, зависящие от статистических характеристик работы машин.

Статистические модели входного потока и работы машин явились основой имитационного моделирования - численного метода проведения на ЭВМ экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течение продолжительных периодов времени. Логическая блок-схема имитируемой на ЭВМ модели ПТЛ сухих животных кормов, представленная на рис.2, дает представление о функциональных связях логических блоков системы.

БЛОК 1

Блик 1

моать вмшннх

ЧСЛООИЙ

БЛОК Ш

цснтри

«РЫГЯ

I Оу

1_

БЧЖЕР

V,

ч

ВДНЧЧМ КОТЕЛ

БЧНК1Р

V,

о,

и

ДРОБИЛ

ил

и,

а»

МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ РЯ60ТЫ

J

БЛОК 1У

оптимизатор

а и V тп

V, : V,

Рис.2. Блок-схема алгоритма имитационного моделирования.

В третьем блоке, в качестве модели оценки работы ПТЛ использовался критерий, характеризующий количественные результаты технологического процесса и затраты на их достижение: +а2К2 +аъКг +...+а1К1

->ГП1П.

Я-Т

(9)

где а %, - процент отчислений на текущий ремонт и реновацию машин и оборудования ПТЛ; К, - стоимости машин и оборудования;

Q = £<ЗЛ - средняя производительность за время моделирования I; Т — продолжительность работы ПТЛ СЖК в сезон.

Во втором разделе, для учета потерь производительности ПТЛ по техническим и организационным причинам, ПТЛ СЖК также представлена как система массового обслуживания.

2.2 Определение состава ПТЛ для обработки маложирного сырья методом моделирования марковскими цепями

Требуется оценить эффективность приготовления СЖК и принять решения по ее повышению. В нашем случае система включает необходимое количество сырья (С) и технологическую линию (ПТЛ) на которой необходимо приготовить СЖК с учетом требований ГОСТа. За каждый шаг операции может приниматься один производственный цикл.

Начало работы линии происходит с одной и той же вероятностью Р (причем отказ равен § = 1 - р). Очевидно, что после успешного начала работы линии могут произойти следующие случайные события: В, -приготовление СЖК прошло успешно и ПТЛ исправна (цель операции достигнута); В2 - во время работы ПТЛ произошел отказ, который может быть устранен на месте (время производственного цикла приготовления СЖК выросло до 30%); В3 - во время работы ПТЛ произошел неустранимый отказ, требуется длительный ремонт или замена машины; В4 - при исправной ПТЛ план выпуска СЖК не выполнен из-за отсутствия сырья (вариант неполная загрузка ПТЛ); В5 - требуется новый (следующий) цикл работы при исправной ПТЛ и наличии сырья.

Вероятность указанных условных событий обозначена: Р(В,) = р„ 1 = 1, 2,..., 5, а поскольку они не совместны и образуют полную груп-

В результате реализации событий В, [I = 1, 2, ... , 5] используемый процесс в любой момент времени может находиться в одном из состояний А,, А2, Аз, А4, А5. Последнее состояние по существу является начальным. Если состояние системы в начале каждого рабочего цикла связано только с результатом предыдущего вероятностным образом, то можно считать, что рассматриваемая операция представляет собой простую дискретную марковскую цепь (ДМЦ). Кроме того, переходные вероятности такой цепи не зависят от номера испытания (шага), то есть цепь является однородной. В состоянии А| процесс останавливается (цель операции достигнута), то есть оно является поглощающим.

Таким образом, согласно принятым допущениям модель операции приготовления СЖК представляет собой простую однородную поглощающую дискретную марковскую цепь с пятью состояниями. Переходные вероятности такой цепи определим с помощью алгебры событий:

п

р„ = 1; Рп = Р,з = Ры = Р 15 = О; Р21 = р ь Р22 = р2; Ргз = Рз; р24=р4; Р25=рз;

рз. = р р.; рз2= р р2; рзз= р рз + б; р34= р р4; р35= р р5;

р«1 = р рь р42= р р2; р43 = р Рз; р44= р р4+ ё\ р45 = р р5;

р5. = р2 р.; р52 = р2 р2; р53 = р ё + р2 Рз; р54 = рб + р2 р4; р55=в2 + р2 р5; ё = 1 - р.

Соответственно, матрица перехода будет иметь вид: А) А2 А3 А4 А5

о о

пы =

AI

А2 = A3 A4 А5

1

О

О

pl р2 рЗ р4 р5

Ppi Рр2 Pß+g Рр4 Рр5 .Ppi Рр2 РрЗ Pp4+g Рр5 I* pl /*р2 Pgi-P1^ Pgi-Pip4 gi+P2p5

I О

RQ

(ii)

Матрица, записанная в каноническом виде: 77 [5 j =

, (12)

где, в данном случае: 1ц] = Ц| - одноэлементная единичная подматрица; О = От<4> = <0 0 0 0> - нулевая вектор-строка; R = RT<4> = = < Pi ppi ppi p2pi > - вектор-столбец, описывающий переходы из невозвратных в эргодические состояния.

Из основной матрицы можно выделить подматрицу Q (без первых столбца и строки), описывающую процесс перехода в системе до выхода из невозвратного множества состояний.

После представления переходной матрицы в каноническом виде, можно определить ряд характеристик, с помощью которых составляется целевая функция. В качестве критериев в данном случае могут фигурировать:

• Вероятность Р(С2) успешного проведения операции приготовления СЖК при заданном расходе средств на ее проведение ;

• Необходимое (гарантированное) количество средств, обеспечивающее проведение работ с заданной вероятностью;

• Математические ожидания и дисперсии случайных расходов средств на операцию.

Состояния а2 аз a4 а5

Расходы Сч + 0,2СК Ск Сс Ск + Сс

где Сч- затраты на частичный ремонт; Ск- стоимость полного ремонта вакуумного котла; Сс- стоимость одной загрузки сырья.

В третьем разделе «Теоретические предпосылки к обоснованию и оптимизации работы машин в линии» произведен анализ процесса измельчения костного сырья рабочими органами: двухопорного режущего аппарата, молотковой дробилки, вальцовой мельницы с учетом особенностей механизма разрушения кости. Здесь также предложена методика моделирования рабочего процесса этих измельчителей.

В технологии приготовления СЖК имеют место три этапа измельчения: предварительное, измельчение в процессе тепловой обработки, тонкое измельчение (заключительное).

На мясоперерабатывающих предприятиях предварительное измельчение осуществляется в результате производственного цикла при разделке туши на доброкачественное сырье (основное) и сырье для производства мясокостной муки (отходы). В звероводстве и птицеводстве проектные решения цехов СЖК не предусматривают предварительное измельчение, так как размеры тушек зверей и птицы не значительны.

Измельчение в процессе тепловой обработки имеет место в процессе разварки и сушки под вакуумом вследствии разделения мускульных волокон, соединительных тканей, вытопки жира и отделения их от костей, а также в результате силового воздействия лопастей мешалки на сырье.

Тонкое измельчение шквары и костей - заключительная операция, производится для приведения гранулометрического состава СЖК в соответствие с ГОСТ 17536-82.

Все три операции измельчения энергоемки и взаимно коррелированны - уменьшение или увеличение размерного состава сырья на первом или втором этапе ведет к изменению энергоемкости на следующих этапах. С нашей точки зрения, операция предварительного измельчения необходима в любом случае. Она позволяет не только освободить поверхностную и частично абсорбционную влагу из тушек зверей и птицы, что приведет к сокращению времени разварки и сушки, но и далее по технологии сократить энергозатраты на процессы тепловой обработки и последующих операций измельчения.

1. Для измельчения тушек зверей и птицы, а так же для тонкого измельчения костной фракции мы рекомендуем использовать измельчитель с многоножевым дисковым режущим аппаратом двухопорного резания, работающим по принципу аппарата вторичного измельчения измельчителя с/х кормов ИКВ-5.

В этом случае, меняя число установленных ножей от 2...4 для предварительного измельчения и до 6...8 для тонкого измельчения, можно в широких пределах регулировать степень измельчения исходного материала.

Резание кости имеет свои особенности. Экспериментальные исследования резания костной ткани ножами с различными углами заточки показали, что разрушение кости происходит при внедрении режущей кромки на 2 мм и более, а далее образуются опережающие трещины. Процесс развития и объединения первичных трещин во времени протекает с возрастающей скоростью, что позволяет считать разрушение практически мгновенным. При напряжении сгразр разрушение тела происходит в течении времени I—>0, пластические деформации не успевают развиваться, то есть имеет место хрупкое разрушение вследствие только упругих мгновенных деформаций.

При взаимодействии ножа с костью (рис.3) максимальный контакт имеет место в первоначальный момент, потом тогда, когда контакт наклонной поверхности ножа с костью будет равен толщине среза (1. В эти моменты максимальные значения усилия равны критической силе резания Ркр. В следующий момент времени происходит скол части кости, и значение силы резания резко падает.

Критическая сила,

приложенная к ножу, должна преодолеть силы всех сопротивлений,

действующих в

вертикальном направлении. Ркр-Р' рез^^рсз^Р1 сж"^"1Э2сж"'"Т 1 +Т2+Т3, (13)

где

рез»

Р2„

Рис.3. Схема действия сил при двухопорном резании.

рез

сопротивление резания под кромкой ножа, соответственно с углами заточки Р! и р2 (направлены вверх); Ть Т2, Т3 -соответствующие силы трения.

С учетом физико-механических свойств и механизма разрушения кости, получено аналитическое

выражение для определения Ркр:

ч> ^

2й Ь

\-tgP

+015/

Р+Дсо ф-ат/]?

,(14)

где ЛЬ - погруженная часть ножа; 5 - толщина лезвия ножа; Ира-разрушающее контактное напряжение; Е - модуль упругости кости; Ь -начальная толщина слоя кости; Ьс* — толщина сжатого слоя; ц - коэффициент Пуассона, показывающий связь между относительным сжатием. и относительной деформацией; / - коэффициент трения кости по стали.

Задаваясь длиной ножа Ь, по значению Р,ф, можно найти необходимые моменты резания и вращения Мре3 и Мвр, необходимую частоту вращения п режущего аппарата. Эти значения приняты переменными при планировании факторного эксперимента.

2. В технологических линиях приготовления СЖК мясоперерабатывающих предприятий на операции заключительного измельчения используются молотковые дробилки БДМ-300, БДМ-400 и др. Особенностью молотковых дробилок является то, что они предназначены для измельчения сырья однородного по грансоставу. В нашем случае, кость и шквара значительно различаются по размерному составу, массе, плотности и другим свойствам. Это позволяет предположить, чю скорости движения частиц кости по рабочей поверхности молотка значительно различаются, и имеет место сепарация частиц в слое измельчаемого материала, которую необходимо учитывать.

Движение единичной частицы описывается уравнением:

т

(15)

Рис.4. Схема сил.

dV

где-- ускорение частицы; > г , - равнодействующая сил, деист-

dt

вующих на частицу: р = mea2 R -центробежной;

Р _ ср- }—— р ~ аэродинамической; Рк =2mú)V - кориолисовой; 2 g

Р,р = N f - силы трения по поверхности молотка; N - силы реакции; Рт - силы тяжести частицы.

Для составления уравнения движения частицы взята система координат Х1О1У1, по центру вращения ротора, и относительная система ХОУ, связанная с движением частицы относительно рабочей поверхности молотка.

Используя схему сил (рис.4), составлено уравнение движения частицы:

dV V2

т-9S!Í— = meo 2 г cos т - Р„„, - cF -р sin Я;

dt 2 g

V2

0 = N + т о)2 г sm (р — 1т со V - cF -—р cos Л;

2 g

2

(16)

V

N - 2т со V + cF -р cos Л - т со 2г sin ср;

2 g

Или

dV V2 V2

т——=та> rcoscp-f{2mcoVttmu+cF—рсоьЛ-тсо rs'm<p)-cF—р$тЛ dt 2g 2 g

,(17)

Разделив обе части уравнения на ш и выразив абсолютную скорость движения частицы через переносную и относительную V2 = (cor)2 + (у')2, получим уравнение:

/'= а) 2r( eos q> + fún<p)~ cF -^—[{ar)2 +(У)2 ](/ cos Л + sin Я) - 2Jy' >0:8

2 gm

где со - угловая скорость ротора; V0TH - относительная скорость движения частицы по рабочей грани молотка; /- коэффициент трения частицы по стали; р - плотность воздуха; с - коэффициент, который зависит от формы тела и является функцией критерия Рейнольдса. Выразить перемещение через начальные данные координаты у и у':

г V 2 V

р

Обозначив с г-= ц, будем иметь для каждого случая, когда раз-

2 gm

меры частицы (1 > 2,5 мм (третья область Яе), следующее уравнение: V» + дг+уь)-^^^ +6а]'5<20)

Уравнение решается для каждого частного случая путем подстановки переменных. В результате его решения установлено:

• Скорость движения костных частиц по рабочей поверхности молотков больше, чем частиц шквары, что приводит к сепарации шквары в слое измельчаемого материала;

• Скорость схода костных частиц с рабочей грани молотка 18...23 м/с, при этом разрушение его о деку и решето не происходит;

• Путь перемещения материала в дробильной камере молотками зависит от диаметра барабана, а не от скорости молотков.

Все вышеперечисленное необходимо учитывать при использовании молотковых дробилок для измельчения мясокостной шквары, то есть необходимо оптимизировать размеры, рабочие органы и режимы работы машины.

3. Измельчение кости по схеме хрупкого разрушения может производиться на вальцовых мельницах. При существующих размерах вальцов (ГОСТ 6284-52) и режимах работы время I пребывания частиц кости в зоне измельчения оказывается весьма незначительным и колеблется в пределах (3,7...4,2)-10"3 сек. Это свидетельствует о том, что разрушение материала вальцами носит ударный характер. При этом лучше использовать рифленые (нарезные) вальцы, которые подвергают кость сложной деформации - сжатию и сдвигу. Рифли парно

работающих вальцов движутся навстречу друг другу, в результате чего в рабочем зазоре происходит разрушение материала.

Вальцы вращаются с различной скоростью (рис.5), их отношение называется дифференциалом:

Рис.5. Схема рабочего процесса мельницы.

к = — > 1 (для рифленых вальцов). Относительная скорость V0,

характеризующая интенсивность воздействия рабочих органов на материал V0 = V6 - VM или VG = VM (К- 1). Средняя скорость движения кости в зоне измельчения: Vcp = (V6 - VH)/2 или

Vcp = V0(K + l)/[ 2(K - 1) ], то есть зависит от относительной скорости вальцов и дифференциала К.

Длина пути X обработки материала в зоне измельчения зависит от размера а, когда кость коснулась вальцов в точке А и А(, и с этого момента подвергается воздействию рифлей вплоть до прохода через рабочий зазор А на линии центров ОО,. Окончательное выражение для

длины пути обработки имеет вид: X = —— , (21)

v 2

где D - диаметр вальца; а - размер кости; Д - рабочий зазор между вальцами.

Действующими силами являются: Р - сила давления кости на валец в точке контакта, равнозначно валец воздействует в противоположном направлении на частицу; сила трения F = / Р. Уравнение равновесно проекции на вертикальную ось: 2Р sin а0 -2 /Р cos а0 = 0 . (22) Условие втягивания материала в зазор:

2Psina0 < 2JP cos а0, (23)

отсюда sin а < f или tgao < tg(p, где <р - угол трения частиц о

cos а поверхность вальца.

Зависимости между размерами кости а, диаметром вальцов D и углом трения (р можно определить из схемы (рис.5). Межцентровое расстояние OOi = D + Д = 2Rcosa0 + а, отсюда D(1 - cosa0) = а - Д, предельное значение угла а0 = (р. Тогда окончательно будем иметь:

D = ° ~ А • (24)

min -

1 - cos <р

В нашем случае, предлагается использовать вальцовую мельницу для доизмельчения схода кости-паренки и шквары после вакуумных котлов с средним размером частиц а = 24,5 мм.

Для значений угла ср = 30° , минимальный диаметр вальцов Dmin ~ 150 мм., что учтено при планировании факторного эксперимента.

4.Моделирование рабочего процесса измельчителей. Измельчение - это уменьшение размеров частиц материала от О начального до д конечного за время I или за какое-то количество воздействий рабочих органов (циклов нагружения). Уменьшение размеров частиц можно представить как ряд состояний материала с последовательным «накоплением повреждений», то есть в виде дискретной марковской цепи (рис.6).

в!

в,

Рис.6. Граф состояний процесса измельчения.

Последнее состояние Бв является поглощающим, если размер измельченного материала соответствует ГОСТу или зоотехническим требованиям, предъявляемым к кормам. В период между состояниями 5]...8В происходят накопления повреждений в результате действия статистически подобных циклов нагружения с назначенным интервалом времени. Повреждения с каждым циклом могут только увеличиваться и переходить в состояние с номером на единицу больше и никогда не возвращаться в предыдущее состояние (свойство марковости).

Таким образом, имеется модель, в которой все состояния переходные, кроме последнего поглощающего (В-модель). Эта модель соответствует стационарному марковскому процессу с дискретным временем и состоянием, вложенному в непрерывный физический процесс измельчения с единичными скачками. Она представляет собой матрицу переходных вероятностей, что в совокупности с вектором начальных состояний, позволяет определять вероятность достижения задаваемого по состояниям необходимого размера частиц за определенное время или числа воздействий рабочих органов:

Р =

Р\ Я\ 0 . 0 0

0 Рг Чг ■ . 0 0

0 0 Р> . 0 0

0 0 0 • А-1 Ч,-.

0 0 0 . 0 1

(25)

где Р, - вероятность остаться в состоянии ] за один шаг; - вероятность перехода повреждения за один шаг из состояния Б, в состояние в^; 1, 2,..., в-1 - переходные состояния, в - поглощающее.

Для практической реализации модели необходимо производить определение математических ожиданий и дисперсий среднего размера

частиц через определенные промежутки времени или циклы нагруже-ния.

Матрица переходных вероятностей Рх, которая вместе с вектором-строкой Р0 начальных вероятностей состояния среднего размера костного сырья определяет вероятностную эволюцию процесса измельчения и имеет вид: Рх= Рс Р", х = 0, 1, 2,... (26)

Р0={71,,я2,...,лв.ьО} (27)

В первом приближении можно принять щ = 1, в дальнейшем учесть вероятность начальных состояний вектора-строки Р0.

5. Идентификация рабочего процесса измельчителя (рис.7). В качестве универсального измельчителя в линии СЖК нами предлагается измельчитель с двухопорным режущим аппаратом. Учитывая условия его работы, в качестве входных переменных приняты: подача сырья Q(t), размерные характеристики сырья L(t) и температура сырья T(t) (так как хранение тушек зверей после забоя осуществляется в холодильнике). В качестве выходных параметров приняты: пропускная способность Q„(t), потребная мощность N(t), средний размер частиц измельчённого корма dcp(t).

z2

Q(t)-

Пц-1 nM Z)

т т

¡гт

Рис.7. Модель рабочего процесса измельчителя.

На входные показатели работы измельчителя влияют конструктивно-технологические и настроечные параметры: частота вращения двигателя и рабочих органов машины пд и пм, зазор в режущей паре ъ\, число ножей г2. В качестве управляющих органов приняты: время 1 включения и выключения измельчителя в технологическом процессе и продолжительность дефростации сырья т. Обобщённым оценочным показателем сравниваемых вариантов работы является энергоёмкость процесса:

Эуд(0 = N/(3*., кВт ч / т. ед.ст.изм. (28)

Описание технологического процесса и получение математической модели измельчителя заключается в установлении некоторого оператора А(1), показывающего как рабочие органы измельчителя преобразуют входные воздействия Х(1) в выходные показатели

процесса Y(t). Оператор измельчителя представляем в виде его составляющих, частных операторов по различным каналам связи в виде зависимости: A(t) = f [Ai(t), A2(t), A3(t),... , A,(t)]. (29)

Частные линейные операторы A,(t) представлены рядом одномерных динамических моделей:

• Зависимость производительности измельчителя QM(t) от подачи сырья Q(t): Q„(t) = A,Q(t). (30)

• Зависимость потребной производительности измельчителя QM(t) от частоты вращения рабочих органов n(t): QM(t) = А2 n(t). (31)

• Зависимость потребной мощности N(t) от подачи сырья Q(t):

N(t) = A3Q(t). (32)

• Зависимость потребной мощности N(t) от температуры сырья T(t): N(t) = A4T(t). (33)

• Зависимость среднего размера измельчённых частиц dçP(t) от исходных размеров сырья L(t): dcP(t) = А5 L(t). (34)

• Зависимость среднего размера измельченных частиц dcp(t) от температуры исходного сырья T(t): dçP(t) = А6 T(t). (35)

Получена система частных линейных параметров:

Y,(t) = А,х,0Г Y2(t) = A2x2(t) Y3(t) = A3x3(t) у (36)

Y|(t) = A,x,(t)

Связь между входными x(t) и выходными Y(t) параметрами можно получить с помощью аппарата корреляционного и регрессионного анализа. При наличии нескольких входных факторов х„ являющихся случайными величинами, нахождение значения оператора A(t) сводится к определению оценки mY/x условно математического ожидания M [Y(t)/xi] выходной переменной относительно входных:

М¥/х = М[Х(х1 > х2> Х3, ... , Хп )], (37)

где X; - фиксированный уровень составляющих входного вектора.

После реализации процессов по программе динамических схем можно получить математические модели изучаемого процесса измельчителя в виде полинома:

к к к

Y = ао + X а<*< + X a.jx'xj + X ' (38)

где а0, а„ ац, ... , а„ - коэффициенты моделей, определяемые экспериментально.

В четвертом разделе приведены результаты исследования работы ПТЛ в производственных условиях: определены основные статистиче-

ские характеристики входного потока, эксплуатационные показатели работы линии и машин, зависимости производительности машин от С, с1 сырья. Разработаны алгоритм и программа имитационного моделирования взаимодействия машин в ПТЛ. Методом моделирования определены оптимальные соотношения производительностей машин р в ПТЛ и вместимости бункеров V между ними.

Исследования работы ПТЛ сухих кормов производились в зверосовхозах "Береговой" Калининградской обл., "Сосновский" Ленинградской обл., "Видлицкий", "Пряжинский" р.Карелия, "Мясопром" г.Петрозаводска и Петрозаводской птицефабрике.

Первичным материалом для исследования С, W, ё сырья и шквары являлись, фарш из тушек зверей и птицы, отходы кормового фарша, свиные субпродукты, криль и салака в брикетах. Определение С сырья и шквары производилось методом извлечения жира органическими растворителями (эфиром). XV,ё определялись по известным методикам (ГОСТ 17681-82). Первичный статистический материал обрабатывался по программе проверки гипотезы о нормальном законе распределения С, XV, ё сырьевого потока. Степень согласованности теоретического и эмпирического распределений оценивалась по критерию Пирсона у?, форму кривой распределения проверяли по показателям ассиметрии А и эксцесса Е. Сравнивая значения х2, А и Е полученных распределений (рис.8) с табличными стандартными, можно считать, что гипотеза о распределении С, W, ё по нормальному закону непротиворечива.

м

п=150 »1=38 4 А—0 1 Е=-0 7 =10 64

У \ X

_/ г 3 \

) / к

002 61

11=150 т=46 6 А=0 13 Е=-0 5 хМз

С.\ \

У \

>

1 N

\

1 11=100 т=4 2 А=0 3 Е-2 04 Х2=4 61

1 \

1

1

1

)

39 45 51

а) жирность свинных субпродуктов; б) влажность отходов кормового сырья; в) крупность сухой шквары;

Рис.8. Плотности распределений.

Это позволило выдвинуть в качестве статистической модели жирности жирового сырья распределения вида:

Г (С) = 0.063ехр[-(с- 38.4)2/80,4]. (39)

Аналогичные модели предложены для влажности XV фарша и крупности ё шквары: Г (\У) = 0,097ехр[-(>У - 64,6)2/33,62], (40)

0 4

02

01

f (d) = 0,614exp[-(d - 4,2)2/0,865], (41)

Для определения основных эксплуатационных показателей машин в ПТЛ использовались: метод хронометражных наблюдений; электронный шеститочечный автоматический потенциометр ЭПП-0,9 МЗ в комплекте с хромель-копелевыми ХК термопарами для контроля температурного режима; электрический трехфазный счетчик активной энергии САЗУ-ИТ и комплект приборов К-50 для замеров мощности и расхода электроэнергии машиной.

Основные показатели работы ПТЛ приведены в диссертации. Опыты по определению производительности машин (участков) позволили получить данные для определения коэффициентов к зависимостям Q машин от С, W, d сырья. Предложены статистические модели работы машин: Qult) = Q (0,000054С2 - 0,011С + 1,414), (42)

Овф = QH (-0,0024W2 + 0,264W - 5,9), (43)

Q-Ф = QH (0,0165d2 - 0,2625d +1,811). (44)

На основании полученной информации была реализована программа имитационного моделирования взаимодействия машин в ПТЛ. Алгоритм моделирования (рис.9) позволил решать задачу в диалоговом режиме с выводом решения и результата на экран дисплея, что позволило сократить число переборов вариантов. Влияние приращений значений оптимизируемых параметров выводилось на дисплей и пользователь сам, по значениям функции отклика, выбирал направление поиска для определения минимума J, корректируя Aß и AV.

НАЧАЛО

Рис.9. Алгоритм моделирования взаимодействия двух машин, разделенных бункером.

•} руб/т

В результате (рис.10) установлено, что минимальные затраты на производство СЖК при соотношении производительно-стей машин р=1.0 объему бункеров между машинами У=2...3 ч. И времени непрерывной работы последующей машины в линии при заполненном бункере 1у=1 час. Дальнейшее увеличение вме-Рис. 10. Зависимость затрат Л от стимости компенсатора не дает соотношения производительностей эффеКта возрастания производи-машин р и объема бункера V. тельности машин.

Для определения соотношения [3 производительностей смежных машин в линии и вместимости V бункеров между ними также можно пользоваться графиком-номограммой, где взаимодействие этих машин представлено системой массового обслуживания (СМО) с ограниченным временем ожидания (рис.11).

Рис. 11. График-номограмма для определения соотношения производительностей Р смежных машин и вместимости бункеров V между ними.

лг

(45)

4.1 Моделирование работы технологической линии производства СЖК марковскими цепями

После успешного начала работы линии могут произойти следующие случайные события:

• В] - приготовление сухих животных кормов (СЖК) успешно и линия исправна (цель операции достигнута);

• В2 - кратковременный отказ, время приготовления единичного комплекта СЖК увеличилось на 15...20%. Единичная порция - 1 выход из котла КВМ-4,6;

• В3 - план выпуска СЖК не выполнен, требуется длительный ремонт;

• В4 - план не выполнен из-за отсутствия сырья (вариант неполная загрузка К < 0,5 - коэффициент загрузки);

• В5 - требуется новый (следующий) цикл работы линии (исправная линия и наличие сырья).

Матрица вероятностей состояний линии по наблюдениям работы цеха СЖК Петрозаводской птицефабрики за 1999-2000 годы: 1,126 0,076 0,101 0,040

0,175 1,368 0,576 0,056 0,130 0,087 1,362 0,051 0,122 0,204 0,283 1,092 После вычислений среднее число загрузок сырья и число исправных вакуумных котлов: тс = т42 + т44 = 0,204 + 1,092 = 1,296 (46)

тр=т43+т44 = 0,283 + 1,092=1,375. (47)

На основании полученных результатов можно сказать, что:

• Для бесперебойной работы линии приготовления СЖК необходимо иметь 30%-й запас сырья;

• Значение тр= 1,375 говорит о том, что для бесперебойной переработки отходов необходимо иметь два вакуумных котла. Вероятность того, что одного вакуумного котла недостаточно составляет 0,375.

Стоимостные затраты складываются из стоимостей сырья и возможного ремонта: С£ = 1,296Сс + 1,375СР. (48)

Данное выражение позволяет решить задачи:

• Определить, соответствуют ли расходы на операцию предполагаемым;

• Произвести выбор оптимальных значений р„ обеспечивающих минимум С5;;

• Оценить степень влияния каждой вероятности р, на эффективность операции и наметить мероприятия по её повышению.

В пятом разделе приведены методики и результаты экспериментальных исследований процессов и технических средств линии.

5.1 Исследование разрушения кости в лабораторных условиях

Разрушение кости в измельчителях происходит при сложно направленных положениях, характеризующихся различными напряжениями, нахождение которых усложнено. Разрушению предшествует основной вид деформации - сжатие, до возникновения на рабочем органе (молоток, нож, зуб вальца) разрушающего контактного напряжения. Момент возникновения последнего определяется значением критического усилия Р,ф. Далее происходит сдвиг одной костной части, то есть возникают касательные напряжения. Поэтому, целью лабораторных исследований было: определение разрушающих усилий Р, нормальных напряжений ст и касательных напряжений сдвига т. Исследовалась крупная кость зверей (норка) и птицы (куры): трубчатая переходящая в диафизе в губчатую - бедерная, плечевая, болыиеберцовая и плоская - лопатка, тазовая, подвздошная, гребень грудины птицы. Эксперименты проведены в лаборатории сопротивления материалов ПетрГУ на универсальной испытательной машине Р-5, оборудованной приспособлением, на которое устанавливался съемный нож и противо-режущая пластина. Результаты исследований сведены в табл.1.

Анализ полученных результатов показывает, что напряжения, необходимые для разрушения костей птицы и норки, близки по своим значениям для других видов с/х животных. Усилия же, необходимые для разрушения, значительно ниже, что объясняется меньшими размерными характеристиками костей птицы и зверей.

Таблица 1 - Результаты исследования прочностных свойств кости

Вид кости Разрушающее усилие, кН Напряжение, МПа Коэффициент соотношения прочности

Плоскость Нож ®тах Т|м«х Сжатие Сдвиг

а Плечевая 3,58 3,11 26,34 21,36 1,21 1,14

я V ю Бедренная 4,21 3,63 29,68 25,45 1,36 1,35

и* о Берцовая 2,74 2,67 27,28 23,74 1,25 1,26

§ Лопатка 2,03 1,84 17,83 16,94 0,82 0,90

о о Тазовая 3,36 2,42 16,55 14,32 0,67 0,76

с Грудина 1,68 1,43 12,34 10,86 0,56 0,58

5.2 Определение удельной работы резания

Для определения наиболее рационального способа резания костного материала, обеспечивающего минимальные затраты энергии, проведены однофакторные эксперименты. Экспериментальная установка позволяла устанавливать различные рабочие органы и регулировать скорости резания в больших диапазонах 1...40 м/с. Сменными рабочими органами являлись ножи в виде резцов с различными углами заточки: 60°, 75°, 90° и нож (резец) с двойным углом заточки (60° и 75°), также использовались две сменные противорежущие пластины. Целью экспериментов являлось получение зависимости удельной работы от скорости резания Ауд = f (Vp«), различными ножами, что позволило выявить геометрию ножа, обеспечивающего минимум удельной работы резания.

Полученные результаты позволили построить соответствующие зависимости (рис.12).

Ava. к Дж/м2

1 -\ ' 4\

-____ - - •

0 5 10 15 20 25 30 У.м/с

1 - угол заточки 60°; 2 - угол заточки 75° ; 3 - угол заточки 90°;

4 — двойной угол заточки 60° и 75".

Рис.12. Зависимость удельной работы резания кости от скорости резания, для резца с различными углами заточки.

Результаты исследований показали, что при резании кости в рассмотренном диапазоне скоростей удельная работа резания Ауд снижа-

ется с увеличением скорости Урез. Наиболее близко описывает полученные кривые, уравнение: Ауд = а + Ь 1пУре3, (49) где а и Ь - эмпирические коэффициенты, значения которых для каждого ножа приведены в табл.2.

Таблица 2 - Значения коэффициентов а и Ь

Угол заточки ножа 60° 75° 90° Двойной

А 21,97 24,63 31,17 13,9

В -5,94 -6,53 -8,38 -3,57

Снижение Ауд с повышением скорости резания можно объяснить увеличением скорости распространения в костной ткани напряжений и деформаций и увеличением инерционного подпора измельчаемой массы.

При анализе Ауд = f (У^) подтвердились теоретические предпосылки о влиянии на удельную работу резания формы ножа и угла их заточки. Как видно из рис.12, для резца минимальные затраты энергии у ножа с двойным углом заточки.

5.3 Оптимизация процесса измельчения костей на молотковой

дробилке

Рабочий процесс молотковой дробилки предполагает, что молотки должны ударять по кости с разрушающей скоростью Уразр, которая зависит от величины максимальных разрушающих напряжений при сжатии 0тах, определенных ранее. С учетом проведенных теоретических исследований и предварительных опытов в качестве основных факторов, влияющих на энергоемкость процесса измельчения костей, нами были выбраны: V - окружная скорость молотков, м/с; <1 - диаметр отверстий решет, мм; W - влажность костей, %; 5 - толщина молотков, мм. С целью определения оптимальных значений этих факторов был реализован 4х факторный эксперимент по плану Хартли-Коно с трехкратной повторностью опытов. Обработка результатов эксперимента по программе «Статграф» позволила получить математическую модель второго порядка в виде уравнения регрессии в раскодированном виде: Э = 2,259 + 0,032У + О.ЗООЫ - 0,2123\У - 0,24785 - 0,0002У2 -- 0,0009У<1 + 0,0013'У\У + 0.0002У5 - 0,0028с12 + 0,0014с15 - 0,0432с1\У + + 0,0276\¥2 + 0,021 \У8 + 0,04352. (50)

С целью проверки нуль-гипотезы об адекватности представления процесса полученным полиномом и определения значимости его линейных и квадратичных членов, был выполнен регрессионный анализ

по критериям Стьюдента - I и Фишера - Р. Проверка показала, что с 95% доверительным уровнем модель адекватно описывает процесс измельчения костей на молотковой дробилке. Графическое изображение поверхности отклика, по полученному уравнению, представлено на рис.13.

Рис.13. Поверхность отклика рабочего процесса молотковой дробилки.

»ЯАЖЛОСТЬ, «

Минимальная энергоемкость процесса измельчения костей на дробилке, с учетом достигнутой степени измельчения, получена Э = 0,6635 квт.ч/т.ед.ст.изм., при значениях факторов: рабочие скорости молотков Ур > 53,5 м/с; диаметр отверстий сменных решет 6 = 9 мм.; массовая доля влаги в кости = 6%; толщина молотков 8 = 2...3 мм.

5.4 Оптимизация процесса измельчения костей на двухопорном режущем аппарате Измельчитель рекомендуется для использования как на стадии предварительного измельчения тушек зверей и птиц, так и на стадии окончательного измельчения костей. Конструкция многоножевого режущего аппарата позволяет достигать необходимые степени измельчения А. путем изменения угла схода сырья с подающего шнека а и числом установленных ножей Ъ. К факторам, влияющим на энергоемкость рабочего процесса Э, с учетом достигнутой степени измельчения костей X, были отнесены: п - частота вращения ножей измельчителя, мин" '; а - угол установки первого ножа относительно конца витка подающего шнека, град.; р - угол заточки ножей, град.; Ъ - число установленных ножей, шт.

Для определения оптимальных значений этих факторов (три уровня варьирования) был проведен эксперимент с трехкратной повторно-стью опытов. Обработка результатов эксперимента проведена по программе «Статграф». Математическая модель процесса измельчения представлена неполным квадратным уравнением регрессии в виде:

Э = 67,8843 - 0,178411, - 14,69062 + 0,7115а - 0,15302р + 0,03415пг + + 0,091067а + 0,09523гр - 0,0926аР + 0,001382ар. (51)

При этом малозначащие коэффициенты не вошли в окончательную математическую модель. Проверка адекватности модели по критериям Фишера и Стьюдента показала, что с 95% доверительным уровнем модель адекватно описывает процесс измельчения. Поверхность функции отклика (рис.14) не имеет выдающихся пиков и впадин, то есть функция не имеет ярко выраженных экстремумов. Пошаговый поиск минимума энергоемкости Э = 0,332 квт.ч/т.ед.ст.изм., получен при сочетании факторов: частота вращения ножей п = 555 мин'1; число установленных ножей Ъ = 8 шт.; угол установки ножа а = 19°; угол заточки ножей р = 73°.

Угол установки, град

Угол

»точки, (рад

500 520 540 560

580 600

Частот вращения, об/мий

Рис.14. Поверхность отклика рабочего процесса измельчителя ИКВ-5.

5.5 Исследование процесса измельчения костей на вальцовой

мельнице

В этих машинах поверхности рабочих органов образуют через обрабатываемый материал жесткий контакт. Время пребывания материала в зоне измельчения весьма незначительно, то есть разрушение носит ударный характер. Возникающие при этом деформации аналогичны деформациям в рабочих процессах молотковой дробилки и двухопор-ного режущего аппарата. Предварительные эксперименты показали, что при измельчении кости на зерновой вальцовой мельнице достигается высокая С1епень измельчения. В соответствии с методикой планирования экстремальных экспериментов, на первом этапе движения, в области оптимума, была использована модель, построенная на основе ПФЭ. Критерий оптимизации аналогичен предыдущим: Э = 1000 Факторы, влияющие на функцию отклика: п - частота вращения валь-

цов, мин О - диаметр вальцов, мм; 5 - зазор между вальцами, мм. Вальцы использовались рифленые и матовые. Обработка результатов эксперимента (программа «Статграф») позволила получить уравнение в натуральных значениях:

Э = 0,368-0,0246п + 0,04120+0,07565-0,023пБ+0,0025Б8-0,0007п5.(52)

Estimated Response Surface

зю^¡ПипгаГ--™" D1AME1

SPEED

Рис.15. Поверхность отклика рабочего процесса вальцовой мельницы.

При проверке значимости коэффициентов регрессии оказалось, что все они с 95%-ной доверительной вероятностью значимы. После «перебора» определены оптимальные значения факторов. При Э = 0,288 квт.ч/т.ед.ст.изм: п = 450 мин"1; Б = 300 мм; 8 = 2,0 мм. Поверхность отклика представлена на рис.15.

Анализируя результаты эксперимента, можно предположить, что для измельчения костей предпочтительны большие диаметры вальцов при средних значениях скоростей, то есть динамический фактор не является превалирующим. Дальнейшие испытания вальцовых измельчителей проводились при сравнительных испытаниях измельчителей.

5.6 Моделирование рабочего процесса измельчителей марковскими

цепями

Процесс измельчения костей - это случайный процесс накопления кумулятивных повреждений костного материала. Кумулятивное повреждение определили как необратимое изменение размера частиц кости до конечного, соответствующего ГОСТ 17536-82, при измельчении костей. В нашем случае, мч«<»пч1апа™^.1«1гтцдр фракция тушек

рос национал мая библиотека

СЛсмрСург О» ЭТО «кг I

птицы из горизонтального вакуумного котла КВМ-4,6, со средним размером частиц (1 = 24,5 мм. Эксперименты по измельчению проведены на молотковой дробилке и двухопорном режущем аппарате. После загрузки материала в рабочую машину, она останавливалась через равные промежутки времени (30 сек.) или количество проходов ножей. Проводились измерения размеров частиц кости по методикам ситового анализа ГОСТ 8770-58 и ГОСТ 17681-82. Для двухопорного режущего аппарата определена (3-модель с параметрами:

1,99 2,62 3,46 4,02

в, = 3

J = <

в2 = 6 в, =10

(53)

1,2

4,5 7, 8, 9

11, 12, 13, 14 вл = 15

где г, = РР, - вероятность того, что размер частиц больше контрольного размера и повреждение находится в прежнем состоянии; gJ -вероятность того, что размер частиц меньше контрольного и повреждение переходит в новое состояние; в|, в2, вз — переходные состояния процесса; в4- поглощающее.

В результате подстановки значений параметров Р-модели в зависимости, для определения среднего числа проходов (времени) и дисперсии, при достижении конкретных значений размеров частиц в процессе измельчения, получили аппроксимированные данные, которые наряду с экспериментальными значениями представлены в табл.3.

Средний размер частиц Среднее количество воздействий ножа Среднее квадратичное отклонение о

С>Ср, мм эксперимент модель эксперимент Модель

16,2 7,8 7,96 2,77 2,82

10,5 16,2 17,28 4,32 4,45

4,8 24,6 26,2 6,89 7,12

1,7 48,0 51,2 13,48 13,51

Сравнивая экспериментальные данные с данными Р-модели, можно отметить их удовлетворительное схождение. Матрица переходных вероятностей Рх, вместе с вектором-строкой Р0 начальных вероятностей состояния размера (1о, определяют вероятностную эволюцию процесса изменения размеров частиц измельчаемых костей и, следовательно, достижение предельного размера имеет вид:

Рх = Р„Рх,х = 0, 1,2... (54)

Ро = Л], п2,..., Яб.!, 0. (55)

В первом приближении, можно принять = 1, а в дальнейшем учесть вероятности начальных состояний вектора строки Р0, то есть отклонения от начального среднего размера (1, тогда возможные состояния Р0 будут, например, 0,9; 0,8;... до 0.

Таким образом, по известной р-модели процесса измельчения материала, можно прогнозировать необходимое время работы или число воздействий рабочих органов, их количество, и вносить конструктивные изменения в существующие типы аппаратов.

5.7 Результат идентификации рекомендуемого измельчителя Работа измельчителя в реальных условиях эксплуатации изучалась в цехах СЖК Петрозаводской птицефабрики и Пряжинского зверохо-зяйства на измельчении тушек зверей и птицы. В работе приведены программа и методики экспериментальных исследований. В результате реализации данных наблюдений по программе корреляционного и регрессионного анализа в пакете «Статграфик», получены математические модели рабочего процесса, которые представлены системой линейных уравнений: Ом = 0,24 + 0,89<3

С2М = 5,82 - 0,38п

(}„ = 0,86 + 0,02Т^ (56)

N = 2,98+ 1,09<} N = 3,48 + 0,26Т (^ = 8,92-3,351^ Для анализа энергоёмкости рабочего процесса и степени влияния входных воздействий на выходные показатели работы измельчителя во взаимосвязи, получены математические модели второго порядка, в виде системы полиномов:

0„ = -0,116 + 1,007(2 + 0,085Т - 0,06Р2 + 0,03Т2 - 0,019дГ| N = 33,69 - 3,020 + 1,369Т + 0,541(32 + 0,044Т2 - 0,171<ЗТ >- (57) сЦ = 8,31 + 0,803<3 + 0,103Т + 0,142С>2 + 0,66Т2 - 0,014(?1и Числовые характеристики процессов представлены в работе. Внутреннюю структуру процессов более подробно характеризуют нормированные корреляционные функции рх(т) и ру(т), спектральные плотности 8х((о) и БуСю), взаимные корреляционные функции рх(т). Оценки взаимных связей процессов показаны в табл.4.

Анализ модели О—С)м показывает, что несмотря на повышение подачи сырья над расходом режущим аппаратом, модель вполне работоспособна, при высоком коэффициенте взаимной корреляции ро_<}М(т) = 0,976. Вместе с тем, любое превышение подачи над расходом нежелательно, и должно выполняться условие С* < 0„.

Таблица 4 - Оценки взаимных связей процессов

Канал связи Диапазон изменений рху(т) Среднее значение рху(т)

0-3« 0,952...0,994 0,976

П-Ом -(0,483...0,597) -0,532

Т-0„ 0,407...0,536 0,471

0-ы 0,735...0,901 0,833

т-ы 0,812...0,888 0,859

-(0,283...0,392) -0,328

С увеличением подачи сырья соответственно возрастает потребная мощность N измельчителя. Модель 0-И описывается прямолинейной зависимостью, также с высоким коэффициентом взаимной корреляции Ро-мМ = 0,833. Весьма высок коэффициент взаимной корреляции в модели Т-Ы, Рт-ыМ = 0,859, что подтверждает зависимость потребной мощности от изменения температуры измельчаемого сырья. Диапазон колебания частот и изменение спектральных плотностей этого процесса, говорит о наличии шаговых нагрузок на рабочие органы измельчителя и необходимости дефростации сырья.

Входные характеристики сырья Цс), модели Ь—<1ср, не оказывают существенного влияния на качество измельчаемого материала и коэффициент взаимной корреляции рщср(т) = 0,328 оказался незначительным.

В работе приведены также динамические характеристики рабочего процесса измельчителей: параметры квадрата модуля передаточной функции, постоянные времени, коэффициент передачи по каналам связи - СК)М, п-О«, Т-0М, О-Ч Т-Ы.

5.£ Совершенствование рабочего процесса горизонтальных вакуумных котлов

Для интенсификации процессов тепломассообмена и измельчения, нами предложена конструкция рабочих органов смесителя для горизонтальных вакуумных котлов, защищенная авторским свидетельством на изобретение №1660721 «Смеситель» (рис.16).

Привод вала с лопастями смесителя осуществляется через шарнирное устройство (например, карданную передачу), второй конец осевого вала закреплён в опоре через эксцентриковый кулачок, поэтому при вращении осевого вала с лопастями возникает вибрация рабочего органа. С одной стороны, это приводит к очистке лопастей от продукта, и сырьё больше времени будет находиться во взвешенном состоянии в потоке теплоносителя при отсосе вакуумным насосом соковых паров, то есть интенсифицируется процесс теплообмена. С другой стороны,

вибрации лопастей приводят к уменьшению нормальных и касательных напряжений в сечениях схода кусков сырья с лопастей, то есть интенсифицируется процесс измельчения. Для увеличения числа поверхностей, которые участвуют в процессах вибрации и схода сырья с рабочих органов, (то есть участвуют в процессе интенсификации), лопасти соединены между собой продольными многорядными стержнями с переменным сечением и шагом, придающими конструкции жёсткость.

Схема процесса разрушения материала при сходе с лопасти, представлена на рис.17.

При выдвижении кусков сырья (материала) за конец или боковую поверхность лопасти, они лишаются опоры со стороны рабочей поверхности и удерживаются от разрушения только за счёт собственной прочности. По мере перемещения за точку А возрастает масса частицы, соответственно увеличиваются нормальные и касательные напряжения в плоскости А-Н, вызываемые центробежной силой Р и силой тяжести куска материала пщ. Другие силы, при показателе кинематического режима К = ю2Я/§ < 30, здесь малы и не рассматриваются. Центробежная сила Р и проекция силы тяжести на радиальное направление п^Совр растягивают материал, а проекция сила тяжести в плоскости А-Н п^Бтр вызывает касательные напряжения. В этом случае, модель разрушения может быть основана на гипотезе удельной потенциальной энергии (пятая теория прочности):

. 2

= л/сг2 + Зг2 , (58)

где а - расчётная величина нормального напряжения в опасной точке Н; т - расчётная величина касательных напряжений в опасном сечении А-Н.

Величина ст определяется из выражения:

ч2

Ътеътви meo 12 +те eos В

сг = — , +---— , (59)

bd2 bd

где b - ширина элемента частицы, минимальное значение которой равно ширине лопасти; и - теоретическая длина; d - средняя толщина элемента частицы, разрушенного элемента.

mg sin В

Величина х определяется из выражения: г = —--—. (60)

bd

Подставляя в (58), выражение (59 и 60) из рис.17, получим:

а.

- = 1(3т8 sin Ри | rnco2R + mg cos /3 2 [ mg sin fi~ (6J)

'' v bd2 bd bd )

Разрушение материала произойдёт, когда величина сдвига частиц за плоскость лопасти достигнет некоторого критического значения и, при котором эквивалентное напряжение ov превысит предел прочности материала сырья на растяжение оВр. Сопротивление разваренного в вакуумных котлах сырья деформациям, изучено недостаточно, но известны значения сит для мясного и костного сырья.

Проведённые исследования работы вакуумных котлов показали, что в начале процесса тепловой обработки т = 15...45 мин., разрушение сырья практически не имеет места, так как критический размер и

фактически соответствует размерам кусков исходного сырья dH = 0,38...0,21 м. В дальнейшем, через время т = 60...90 мин., критический размер частиц и уменьшается до 0,08...0,035 м, то есть происходит разрушение мякотного сырья адекватно предложенной модели. В конце рабочего процесса вакуумного котла, через время т = 120 мин (2 часа), готовый продукт (шквара) составляют частицы с размерами от 0,1 до 4 мм, за исключением костной фракции, которая разрушается труднее, и её размеры могут быть крупнее (до 15 мм).

Нами также предлагается вариант теплового аккумулятора (ТА), в виде бака с водой, ёмкость которого равна объёму рубашки нагрева вакуумных котлов: 0,74 м3 для КВН-4,6 и 0,48 м3 для ГВК-2,8. Аккумулировать предполагается тепло соковых и отработанных (на выходе из паровой рубашки) паров, которые отсасываются из ёмкости котла во-докольцевым вакуумным насосом. В настоящее время эти пары направляются в барометрические конденсаторы, которыми комплектуются котлы, для охлаждения воздухом или водой с целью конденсации. Получаемый конденсат, горячая вода с температурой Т = 333...338°К рекомендуется использовать для технологических нужд.

Предлагаемый вариант ТА не отменяет конденсаторы, а позволяет улучшить их характеристики, количество конденсата также остаётся прежним. Аккумулированная тепловая энергия ТА в виде горячей воды с Т = 373..375°К направляется в паровую (водяную) рубашку вакуумного котла и используется для предварительного разогрева сырья загружаемого в котёл. После загрузки сырья, эта вода вытесняется паром, с давлением Р = 0,3...0,4 МПа, обратно в ёмкость (бак) ТА. Схема системы теплового аккумулирования (TAC) и вариант расположения ТА на загрузочной горловине вакуумных котлов, показаны на рис.18 и рис.19. TAC состоит из жидкости массой М и теплоёмкостью С, занимающей теплоизолированную ёмкость, расположенную на котле, с целью нагрева её ещё и через горячие стенки загрузочной горловины во время работы котла, а также избежания установки специального насоса для циркуляции жидкости в ТА. Соковые пары (горячий газ), поступающий в систему через входной патрубок, охлаждается, при течении по теплообменнику, погруженному в жидкость, и в конечном счёте выпускается в конденсатор. Постепенно температура жидкости Т, как и температура паров на выходе Тп, повышается, приближаясь к температуре паров на входе Тш. Горячие пары с расходом ш, отработанные в термодинамическом процессе варки и суши сырья в котле, подаются в систему при постоянных Тот и Р0. Для того, что бы газовый поток смог преодолеть сопротивление трения в тракте теплообменни-

ка, существует перепад давлений ДР, создаваемый водокольцевым вакуумным насосом.

Соковый пар Т=373°К^

Теплообменник «газ-жидкость» /

Рубашка котла

Рис. 18. Схема системы аккумулирования тепловой энергии горячего

газа (соковые пары), в виде теплосодержания массы жидкости.

Функционально работа ТА (рис.19) подразделяется на период заряда, хранения и разряда накопленной энергии. Энергетический коэффициент полезного действия (к.п.д), в этом случае, определяется:

л = до/Ор, (62)

где <Зо - отводимая энергия при разряде, Дж; <Зр - энергия, подводимая при заряде, Дж.

Для характеристики работы ТА, получил распространение эксерге-тический анализ, основанный на втором начале термодинамики и учитывающий конкретные значения температур потоков и окружающей среды.

С

Вода

т

а= а= а=

3

ш

Ш

Соковый пар

Рис.19. Установка теплового аккумулятора на загрузочной горловине

котла.

Эксергия (то есть максимальная работоспособность) тепла опреде-Е = (63)

ляется по формуле:

или подводимая эксергия при заряде: £

и отводимая эксергия при разряде: £о -

г \

Т

т

т

1

(64)

(65)

где Тс - температура окружающей среды, К; Тр - температура теплопровода в ТА, К.

Суммарный эксергетический к.п.д: ¥ = Ео/Ер (66)

Нами были выполнены расчёты энергетических и эксергетических коэффициентов полезного действия при протекании горячих газов через бак с водой (зарядка ТА) и для разогрева, загружаемого в котёл сырья, горячей водой в рубашке котла (разрядка ТА) по плоской схеме.

Результаты расчётов представлены зависимостями на рис.20 и рис.21.

354 7 346 4 3381

329 * 321.5 зп2

304 9 296 6

1КЧ Т.10 12(1)

0.15 0 12

009 006

ЧЧт>

О 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 3240160(1

Рис.20. Процесс теплообмена между горячей водой и сырьём по времени.

0 720 1440 2160 2880 3600

Рис.21. Зависимость энергетического и эксергетического к.п.д. от времени разогрева.

При начальной температуре горячей воды Т] = 363° (рис.20), нагрев, перемешиваемого при загрузке сырья, со средней толщиной слоя на поверхности теплообмена котла «0,04 м, происходит до температуры Т2 = 318°, от первоначальной температуры Тн = 238°, за время I = 0,5 часа. Энергетический к.п.д л вакуумного котла в целом (рис.21), возрастает на 12%, за это же время. Значение эксергетического к.п.д ¥ ~ 5%, говорит о том, что ранее необратимые 5%-ые тепловые потери теперь преобразуются в полезную работу.

В целом, использование ТА на горизонтальных вакуумных котлах, для разогрева холодного сырья, относится к энергосберегающим технологиям, с экономическим эффектом стоимости 10...12% тепловой энергии, идущей на процесс приготовления сухих животных кормов.

Нами так же проанализированы причины отказов винтовых транспортеров для транспортирования мясокостного сырья, фаршей, шква-

ры с высокими значениями адгезий. Основной причиной отказов является их забивание, вследствие наматывания волокон ткани на вал и их высокой липкости (адгезии). Нами предложено конструктивное решение не забивающегося шнека, защищенное А.С №1169573 «Питатель», который предлагается в качестве питающего устройства для измельчителя с двухопорным режущим аппаратом. Изготовленная модель шнека испытывалась на экспериментальной установке по транспортированию мясорыбных кормов, фаршей, влажной и сухой шквары, костной фракции. Испытание показали ее высокую эксплуатационную надежность, что позволяет рекомендовать транспортер и для использования в линии приготовления СЖК на транспортных операциях.

Шестой раздел. «Типоразмерный ряд цехов СЖК, производственные испытания, внедрение и оценка экономической эффективности».

Достоинством технологических линий приготовления СЖК является возможность варьирования производительностью путем использования котлов различного объема от 2,6 до 8 м3 и их установка параллельно или последовательно, с разделением операций варка-сушка или без разделения. Нами предложено восемь вариантов компоновки оборудования с высокой степенью унификации линий и суточной производительностью (¡)сут от 1,5 до 8,4 тонны готового продукта. Для звероводческих ферм предлагается определять выход сырья в зависимости от поголовья самок основного стада ш 0:

<3 год = ш0(Ь0 + % ьо ь)а,, (67)

где Ь0 - деловой выход молодняка на самку; - коэффициент, учитывающий возможное изменение прогнозируемого выхода; сть - сред-неквадратическое отклонение; а, - массовый коэффициент, определяющий выход сырья в зависимости от вида зверей.

В зависимости от выхода сырья, подбирается необходимый типоразмер цеха СЖК, из рекомендуемого ряда:

Производительность по сырью, т/сут.: 9,0; 12,0; 15,0; 18,0; 25,0. Производительность по муке, т/сут.: 3,0; 4,7; 5,0; 6,0; 8,4. Поголовье самок, тыс.шт.: 15...20; 25...30; 35...40; 45...50; 60...70.

В Республике Карелия производство СЖК осуществляется на четырех предприятиях. Учитывая возрастающий интерес хозяйств к приготовлению и использованию СЖК, возможность их централизованного производства (по решению правительства республики) нами решена задача размещения такого цеха. Решение заключалось в отыскании плана перевозок сырья и готовой продукции, минимизирующем общую стоимость перевозок:

, = 1 7=1

где т - число предприятий; п - число пунктов назначения; Су -стоимость перевозки единицы продукции; Хч - количество единиц сырья (продукции) для перевозки из 1 -го хозяйства в 3 - ый пункт назначения.

Поэтому критерию, минимальная стоимость перевозок будет при размещении централизованного цеха производства СЖК в п.Пряжа (Пряжинское зверохозяйство).

В производственных условиях (Петрозаводская птицефабрика,

Видлицкий и Пряжинский зверохозяйства) проведены сравнительные

испытания молотковой дробилки, вальцовой мельницы и измельчителя

ИКВ-5, с модернизированными рабочими органами и рекомендуемыми

частотами вращения на операции доизмельчения костей-паренки со

средним размером частиц ёср = 24,5 мм. Обобщенный критерий

оценки измельчителей определялся по формуле:

Г \г

У» ~У, о

Л

У, о

(69)

=1

где а, - массовая доля ¡-ой машины; уш - значение критерия ¡-ой машины; ую- наилучшее значение 1-ого критерия.

Меньшие значения Аи получены для измельчителя с двухопорным режущим аппаратом и для вальцовой мельницы, что позволяет именно их рекомендовать для использования в хозяйствах. Измельчитель ИКВ-5 также испытывался в сравнении с дисковым измельчителем ИК-2, имеющем лучшие характеристики, из выпускаемых, на измельчении мясокостного сырья. В нашем случае измельчались тушки зверей (норка) перед подачей в вакуумные котлы. Меньшие значения удельного расхода энергии Э = 1,82 кВт ч/т получены для предлагаемой конструкции измельчителя (для ИК-2, Э = 8,84 кВт ч/т).

При производственных исследованиях работы горизонтальных вакуумных котлов определялись затраты энергии, температурный режим, потери тепла, время тепловой обработки, изменение влагосодержания, коэффициенты загрузки объема котлов. Проанализирована работа котлов в режиме теплового аккумулятора: разогрев и сушка сырья - аккумуляция тепла, остывание котла и готовой продукции - разрядка. Определен эксергетический к.п.д котла КВМ-4,6 в режиме теплового аккумулятора: = Е1/Е2 = 15...20%, где Е) - накопленная эксергия при заряде; Е2 - отводимая эксергия при разряде. Учет этих значений мо-

жет увеличить энергетический к.п.д вакуумных котлов до 10%. Испытания котлов, при работе с предварительно измельченным сырьем (тушки норки), по сравнению с традиционной технологией, без измельчения, показали, что время сушки сокращается на 15...20 минут.

Результаты НИР по технологии приготовления СЖК и измельчении костей и шквары нашли отражение в восьми научных отчетах, прошедших государственную регистрацию. Рекомендации по составу машин в технологической линии и режимам их работы были приняты Карельским трестом Зверопром в 1986г. с экономическим эффектом 122800 рублей в год. Рекомендации по режимам работы и рабочим органам машин внедрены в Карельском производственном объединении «Мясопром», с подтвержденным экономическим эффектом 1200 руб. в год (в ценах 1987 года). Рассчитанный годовой экономический эффект от внедрения измельчителя сырья и схода костей на Петрозаводской птицефабрике составляет 116400 руб.(2000г.). Рекомендации по повышению эффективности технологических линий утилизации отходов звероводства и птицеводства в сухие животные корма приняты Министерством сельского хозяйства Республики Карелия, с расчетным экономическим эффектом 0,15...0,3 рубля на голову зверя и 0,05...0,12 рубля на голову птицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В звероводстве и птицеводстве имеется сырьевая база для производства сухих животных кормов из собственных производственных отходов животного происхождения, в количестве от 300 до700 т., в зависимости от мощности предприятия, которая, в подавляющем большинстве хозяйств, не используется. Переработка на эти цели тушек зверей после забоя, падежа птицы, конфискатов забоя и инкубации и др., имеет актуальные ресурсосберегающий, энергосберегающий и экологический эффекты. Переработку этого сырья целесообразно осуществлять в специализированных цехах, с набором оборудования, обеспечивающем приготовление мясокостной муки в соответствии с ГОСТ 17563-82, и с минимальными затратами энергии.

2. Процесс приготовления сухих кормов необходимо рассматривать как сложную многоуровневую техническую систему, в которой менее разработанными можно считать вопросы комплектования линий и измельчения сырья и шквары с костной фракцией. Комплектование технологических линий рациональным набором машин является функцией необходимой производительности и меняющихся характеристик сырья (С - жирности, АУ - влажности, с1 - размерного состава). Опера-

ции измельчения в технологии являются наиболее энергоемкими и последовательно трижды повторяющимися.

3. Исследование среднестатистических характеристик сырья, влияющих на изменение производительности участков линии, позволили предложить статистические модели плотности распределений жирности С, влажности крупности (1 потока жирового сырья, на входе к машинам:

• К вакуумному котлу f (W) = 0,097exp[-(W - 64,6)2/33,62];

• К центрифуге Г (С) = 0.063ехр[-(с- 38.4)2/80,4];

• К измельчителю { (ё) = 0,614ехр[-(с1 - 4,2)2/0,865].

Соответственно, статистические модели производительности машин, в зависимости от изменяющихся характеристик сырья, имеют вид:

• Для вакуумного котла КВМ-4,6 ()„ к=Q„(-0,0024W2 + 0,261 W-5,979);

• Для центрифуги ФПН-10001У-3 0Ц=0„ (0,00054С2-0,0011С + 1,414);

• Для измельчителя БДМ-300 (5^ = С>„ (0,0165а2- 0,2625(1 + 1,811).

4. Разработаны алгоритмы и предложены методики вероятностно-статистического моделирования работы технологических линий, позволяющие определить их состав по согласованной производительности машин.

4.1 Для линии производства СЖК из жирового сырья, используемых в звероводстве (тушки зверей после забоя), предложена методика имитационного моделирования работы машин в диалоговом режиме на ПЭВМ. Для вышеперечисленных статистических моделей, результаты моделирования по критерию приведенных затрат }, следующие: оптимальное соотношение производительностей взаимодействующих машин р = 1,0; оптимальное значение вместимости бункеров между машинами V, = 2,5 часа и У2 = 2 часа, при заполненном бункере и времени непрерывной работы последующей машины ^ = 1 час. В этом случае, критерий приведенных затрат Д = 0,4 руб./т. Здесь же, предложена номограмма для определения этих показателей, для машин и оборудования с различными вариантами производительности.

4.2 Для линии производства СЖК из жиросодержащего и нежирового сырья, используемых в птицеводстве, предлагается методика моделирования работы линии Марковскими цепями. В этом случае, модель представляет собой матрицу переходных вероятностей, в зависимости от состояний линии, в которых она может находиться, полученных в результате длительных наблюдений за ней. Критерием моделирования здесь являлись денежные затраты необходимые для

безотказной работы линии. Получено аналитическое выражение для определения этих затрат: С£ = 1,296Сс + 1,375Ср,

где Сс - стоимость сырья, руб.; Ср - стоимость среднего ремонта вакуумных котлов, руб.

Необходимо, также иметь постоянный 30% суточный резерв сырья. Вероятность того, что одного вакуумного котла недостаточно составляет 0,375.

5. Экспериментальные исследования прочностных свойств костей зверей (норка, песец) и птицы (кура) показали, что их разрушение происходит при напряжениях близких по величине к разрушающим напряжениям для других видов костей, но прикладываемые усилия имеют меньшие значения, так как Р = f (Б), где Б - площадь сечения исследуемых костей, значительно уступает площади сечения аналогичных костей других видов с/х животных.

6. Исследование процесса измельчения мясокостного сырья, костей и щквары различными машинами и рабочими органами позволили предложить математические модели влияния основных конструктивных факторов на процесс измельчения для молотковой дробилки, измельчителя с двхопорным режущим аппаратом, вальцовой мельницы.

6.1 Минимальная энергоемкость процесса измельчения костей на молотковой дробилке, получена при значениях факторов: влажность костей = 6%; толщина молотков 5 = 2...3 мм.; диаметр отверстий решет с1 = 9 мм.; рабочие скорости молотков У= 53,5 м/с.

Учитывая, что скорость схода частиц с рабочей поверхности молотков V = 20...25 м/с не приводит их к разрушению при ударе о внутреннюю поверхность камеры, рекомендуемая величина рабочей скорости молотков, должна быть, не ниже 60 м/с.

6.2 Минимальная энергоемкость процесса измельчения костей на двухопорном режущем аппарате, получена при сочетании факторов: частота вращения ножей п = 555 мин число ножей 2 = 8 шт.; угол установки ножа а = 20°; угол заточки ножа р = 73°. При этом энергоемкость Э = 0,332 квт.ч./т.ед.ст.изм. Рекомендуемый рабочий орган -двухперьевой нож с пазами, имеющими двойной угол заточки: общий угол заточки 73 угол заточки пазов 30°.

6.3 Минимальная энергоемкость процесса измельчения костей на вальцовй мельнице с матовой поверхностью вальцов, получена при сочетании факторов: частота вращения вальцов п = 450 мин"1; диаметр вальцов О = 300 мм.; зазор между вальцами 5 = 2,5 мм. Вальцовая мельница рекомендуется для измельчения схода кости-паренки после вакуумных котлов.

7. Рекомендуемая методика математического моделирования рабочего процесса измельчителей марковскими B-моделями (метод накопления повреждений измельчаемого материала) основана на реальном физическом процессе и позволяет получать результаты адекватные экспериментальным.

8. Конструкция винтового транспортера для мясокостного сырья, шквары и костей, по A.C. №1169573, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность при транспортировке связанных материалов с высокой адгезией и рекомендуется также в качестве питателя к измельчителям.

9. Результаты исследования рабочего процесса вакуумных котлов показали, что при предварительном измельчении тушек зверей и птицы, время сушки сокращается на 0,25...0,3 часа. Предлагаемая конструкция рабочего органа смесителя, по A.C. №1660721, для вакуумных котлов, улучшает режим его работы. Эксергетический анализ работы котлов, в режиме теплового аккумулятора, показал, что энергетический к.п.д. котлов может быть увеличен на 10... 15 %.

10. Предлагаемые в диссертации теоретические предпосылки и методы статистического моделирования, могут широко использоваться в исследованиях и практической работе.

Технологические и технические решения, обеспечивающие снижение затрат при производстве сухих животных кормов на 15...20%, приняты для внедрения Министерством сельского хозяйства республики Карелия, с расчетным экономическим эффектом 0,12...0,15 рубля на голову норки и 0,05...0,08 рубля на голову птицы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах

1. A.C. №1169573, кл.А01 К5/00. Питатель кормов. Цыпук A.M., Малинов Г.И. Опубликовано 30.07.85. Бюл.№28.-с.8.

2. A.C. №1660721, кл.А01 F7/08. Смеситель. Малинов Г.И., Чертес K.JI. и др. Опубликовано 07.07.91. Бюл.№ 25.-е.

3. Малинов Г.И., Павлов П.М. О приготовлении сухих кормов в звероводстве. // Вопросы теории машин и механизации с/х производства: Межвуз. сб. ПетрГУ, 1976.-C.53-59.

4. Малинов Г.И. К расчету установки для протряхивания шкурок зверей. // Исследования по агрономии, зоотехнии и механизации с/х производства: сб. ПетрГУ, 1976

5. Вагин Б.И., Мапинов Г.И., Барсов H.A. Моделирование работы поточных линий кормоцехов на зверофермах. // Вопросы теории машин и механизации с/х производства Северо-Запада РСФСР: Межвуз. сб. ПетрГУ, 1979.-е. 18-22.

6. Вагин Б.И., Барсов H.A., Гордеев В.В., Малинов Г.И. Как улучшить работу линии СЖК-100. // Кролиководство и звероводство. 1980.-№5.-с.25-27.

7. Малинов Г.И., Гордеев В.В. Производство сухих кормов на линии СЖК-100. // Пути повышения продуктивности с/х животных Северо-Западной зоны РСФСР: Межвуз. сб. ПетрГУ, 1982.-е. 106-107.

8. Малинов Г.И., Барсов H.A. Статистические характеристики измельчителей кормов в поточных линиях кормоцехов. // Механизация с/х производства Северо-Запада РСФСР: Межвуз. сб. ПетрГУ. 1982.-с.47-53.

9. Малинов Г.И. Формирование входных параметров ПТЛ сухих кормов. // Механизация с/х производства Северо-Запада РСФСР: Межвуз. Сб.ПетрГУ, 1982.-С.29-31.

10. Малинов Г.И., Кондрашов В.Ф., Соколов A.B. Моделирование на ЭВМ поточно-технологических линий с/х производства: сб. тез. докл. научно-методической конф. ПетрГУ, 1982.-С.77-79.

11. Малинов Г.И. Механизация и электрификация животноводства / Мапинов Г.И., Порфоев В.И., Кальянов С.Ф. Методические указания. ПетрГУ,1983,-бОс.

12. Вагин Б.И., Барсов H.A., Малинов Г.И. Результаты экспериментального исследования молотковой дробилки в линии производства СЖК. // Сб. научн. тр. ЛСХИ.л.:1983.-с.58-60.

13. Кузьминский Ю.И., Вагин Б.И., Малинов Г.И. Размещение цеха по утилизации кормовых отходов. // Кролиководство и звероводство. 1984. №4.-с.20-21.

14. Вагин Б.И., Малинов Г.И. Статистическое моделирование взаимодействия машин в технологической линии приготовления сухих кормов. // Научн. тр. ЛСХИ. Совершенствование технологии и средств механизации кормопроизводства на фермах и комплексах. 1984.-c.32-38.

15. Малинов Г.И., Новицкий Л.А. и др. // Система машин для животноводства: Система ведения животноводства Карельской АССР на 1986-90 годы и на период до 2000 г. Петрозаводск: Карелия, 1984.16. Малинов Г.И., Порфоев В.И. Решение производственных задач

при изучении курса механизация животноводческих ферм на

сп.311300. сб. тез. докл. научн.-методической конф. ПетрГУ, 1985.-с.72-73.

17. Малинов Г.И. Вероятностно-статистический метод расчета ПТЛ приготовления сухих кормов в звероводстве. // Механизация с/х производства Северо-Запада РСФСР,: Межвуз. сб. ПетрГУ, 1987.18. Малинов Г.И., Печников A.A. Имитационное моделирование поточной линии на ЭВМ "Электроника-60". // Механизация с/х производства Северо-Запада РСФСР: Межвуз. сб. ПетрГУ, 1987.19. Малинов Г.И., Цыпук A.M. Универсальный конвейер. // Ин-форм. Лист №90-8, Карельский ЦНТИ. 1990.-2с.

20. Малинов Г.И. Кормоцех для ферм крупного рогатого скота. // Информ. лист №28-91, Карельский ЦНТИ. 1991. -Зс.

21. Малинов Г.И. Конвейер для выгрузки сыпучих грузов. // Информ. лист №91-1, Карельский ЦНТИ. 1991 -2с.

22. Малинов Г.И. Расчет и моделирование на ЭВМ технологических линий животноводческих ферм. / Методические указания, Петр-ГУ, 1995.-46с.

23. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. К вопросу о повышении эффективности звероводства в р.Карелия. // Животноводство на Европейском Севере: Фундаментальные проблемы и перспективы развития. Под ред. Болгова А.Е. -изд-во ПетрГУ, 1996.-C.234-235.

24. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Измельчитель кости птицы и пушных зверей. // Информ. лист №10-98, Карельский ЦНТИ. 1998.-2с.

25. Вагин Б.И., Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Моделирование процессов работы линии производства СЖК и рабочих органов измельчителя методом марковских цепей. // Информ. лист №66, Карельский ЦНТИ. 2000.-4C.

26. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Измельчитель костей птицы и пушных зверей. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве. Сб. на-учн. тр. СПбГАУ. СПб, 2000.-C.63-65.

27. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Укрепление кормовой базы хозяйств в птицеводстве и звероводстве р.Карелия. // Материалы международной научн.-пр. конф. "Социально-экономическое, духовное и культурное возрождение Карелии," Карельский научный центр РАН, Петрозаводск. 2000.-е 33-347.

28. Карпин В.Ю., Малинов Г.И. Экспериментальное исследование процесса измельчения кости пушных зверей и птицы плосковращательным режущим аппаратом. / ПетрГУ, 2001.-8с - Деп. в ВИНИТИ 06.03.2001. №256-В2001.

29. Вагин Б.И., Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Моделирование процесса измельчения мясокостных кормов плосковращательным режущим аппаратом. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве: Сб. на-учн. тр. СПбГАУ. СПб, 2001,- с.87-93.

30. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Исследование работы вакуумных котлов в линии приготовления СЖК. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве: Сб. научн. тр. СПбГАУ. СПб, 2001.-е.

31. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Пути снижения затрат при производстве СЖК из вторичного сырья в птицеводстве и животноводстве. // Сб. научн. тр. института экономики КНЦ РАН, Петрозаводск, 2002.-с.283-287.

32. Малинов Г.И. Вероятностная модель процесса измельчения. // Физические эффекты в промышленности: Сб. научн. тр. ПетрГУ. Петрозаводск, 2002.-е.103-108 - Деп. в ВИНИТИ 18.12.2002, № 2208-В2002.

33. Вагин Б.И., Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Моделирование себестоимости сухих животных кормов, производимых в птицеводстве и звероводстве. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве. Сб. научн. тр. СПбГАУ. СПб, 2003,- с.48-52.

34. Малинов Г.И., Карпин В.Ю. Исследования теплофизических свойств кости сельскохозяйственных животных. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве: Сб. научн. тр. СПбГАУ. СПб, 2003.-c.52- 55.

ЛР ИД № 02969 от 16.10.2000. Гигиенический сертификат № 10.КЦ.34.953.П.00136.03.99. от 05.03.99. Подписано в печать 02.10.03. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л.2. Усл. кр.-отт. 12. Тираж 100 экз. Изд. № 148 Петрозаводский государственный университет Типография Издательства Петрозаводского Государственного Университета

185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Р 16 90 9

2оо J'k

-IZfGf

Введение.

1 Состояние проблемы и задачи исследования.

1.1 Технологии приготовления сухих животных кормов в звероводстве и птицеводстве.

1.1.1 Анализ кормовой базы звероводства и перспективы производства сухих животных кормов в отрасли.

1.1.2 Анализ кормовой базы птицеводства и перспективы производства сухих животных кормов в отрасли.

1.1.3 Зоотехнические требования к процессу приготовления сухих животных кормов.

1.1.4 Способы производства сухих животных кормов.

1.1.5 Опыт производства сухих животных кормов в хозяйствах.

1.2 Машины и оборудование для приготовления сухих животных кормов (СЖК).

1.2.1 Составы рекомендуемой технологической линии и режимы их работы.

1.2.2 Технические характеристики машин и оборудования для приготовления сухих животных кормов.

1.3 Машины и оборудование для измельчения мясокостного сырья.

1.3.1 Виды измельчения и характеристики измельчителей.

1.3.2 Обзор способов измельчения сырья.

1.3.3 Классификация измельчителей мясокостного сырья.

1.4 Ресурсосберегающий, энергосберегающий и экологический аспекты проблемы.

1.5 Краткий анализ проведенных исследований по механизации переработки мясокостного сырья в сухие животные корма.

Цель и задачи исследования.

2 Теоретические предпосылки к обоснованию и разработке ресурсосберегающих процессов и технических средств переработки мясокостных отходов звероводства и птицеводства.

2.1 Методические основы ресурсосбережения при переработке мясокостных отходов звероводства и птицеводства.

2.2 Системный подход к исследованию режимов работы ПТЛ и оптимизации их состава.

2.3 Анализ факторов, определяющих формирование входного потока ПТЛ сухих кормов.

2.3.1 Объект исследования и внешние факторы ПТЛ.

2.3.2 Формирование входных параметров ПТЛ сухих кормов (статистические модели С, W, d).

2.4 Аналитический расчет производительности взаимодействующих в ПТЛ машин.

2.5 Моделирование работы технологической линии для приготовления СЖК из жирового сырья.

2.5.1 Основные принципы построения моделей.

2.5.2 Критерий эффективности работы линии.

2.5.3 Блок-схема моделирования взаимодействия машин в ПТЛ.

2.6 ПТЛ сухих кормов как система массового обслуживания.

2.7 Моделирование работы технологической линии приготовления сухих кормов из маложирного сырья.

2.7.1 Марковские процессы как динамика вероятностей.

2.7.2 Вероятности состояний ПТЛ по результатам наблюдений.

3 Теоретические предпосылки к обоснованию и оптимизации рабочих органов и режимов работы измельчителей технологических линиях СЖК.

3.1 Аналитическое описание процесса измельчения кости различными рабочими органами.

3.1.1 Анализ воздействия режущего инструмента на кость.

3.1.2 Анализ воздействия молотков на кость.

3.1.3 Анализ воздействия на кость рабочих органов вальцовой мельницы.

3.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы измельчителя с плосковращательным режущим аппаратом.

3.3 Идентификация рабочего процесса работы измельчителя мясокостного сырья.

3.3.1 Технологический процесс работы измельчителя как сложной динамической системы.

3.3.2 Модели функционирования измельчителя в реальных условиях эксплуатации.

3.3.3 Вероятностно-статистические оценки технологического процесса измельчителя.

3.4 Моделирование процесса измельчения кости методом «накопления повреждений».

4 Методика и результаты экспериментального исследования и моделирования работы технологических линий приготовления СЖК.

4.1 Оптимизация состава ПТЛ сухих кормов для переработки жирового сырья в звероводстве методом статистического моделирования.

4.1.1 Методика экспериментальных исследований.

4.1.2 Статистические модели входного потока ПТЛ.

4.1.3 Эксплуатационные показатели и статистические модели работы машин в ПТЛ.

4.1.4 Моделирование взаимодействия машин в ПТЛ.

4.2 График-номограмма для определения оптимального состава ПТЛ по производительности ее участков.

4.3 Оптимизация состава ПТЛ сухих кормов для переработки маложирного сырья в птицеводстве методом моделирования дискретными марковскими цепями.

4.3.1 Методика исследования работы линии.

4.3.2 Методика и результаты моделирования.

Выводы.

5 Методика и результаты экспериментальных исследований процессов и рабочих органов машин в линии производства СЖК.

5.1 Исследование процесса измельчения кости пушных зверей и птицы в лабораторных условиях.

5.1.1 Экспериментальное определение разрушающих напряжений мри сжатии кости.

5.1.2 Экспериментальное определение касательных напряжений среза при резании кости.

5.2 Определение удельной работы резания костного сырья.

5.3 Исследование и оптимизация процесса измельчения кости различными рабочими органами.

5.3.1 Приборы и методика экспериментальных исследований.

5.3.2 Оптимизация рабочего процесса измельчителя с плосковращательным режущим аппаратом.

5.3.3 Оптимизация рабочего процесса молотковой дробилки.

5.3.4 Оптимизация рабочего процесса вальцового измельчителя.

5.4 Методика и результаты моделирования процесса измельчения поглощающими марковскими цепями.

5.5 Методика и результаты идентификации измельчителя с режущим аппаратом.

5.6 Исследование рабочего процесса горизонтальных вакуумных котлов.

5.6.1 Задачи и методика исследования.

5.6.2 Анализ полученных зависимостей.

5.6.3 Определение времени и скорости рабочего процесса.

5.7 Интенсификация процесса измельчения и тепломассообмена в горизонтальных вакуумных котлах.

5.7.1 Обоснование конструкции рабочих органов смесителя котла.

5.7.2 Эксергетический анализ замкнутой теплоаккумулирующей системы для горизонтальных вакуумных котлов.

5.7.2.1 Аккумулирование теплоты соковых паров для последующего разогрева сырья в котле.

5.7.2.2 Диссипация полезной работы в процессе аккумулирования энергии.

5.7.2.3 Общий анализ цикла аккумулирования.

5.7.2.4 Определение примерных характеристик процесса теплообмена при разогреве сырья для котлов КВМ-4,6.

5.8 Обоснование конструкции шнекового рабочего органа для транспортирования сырья и шквары.

Выводы.

6 Экономическая эффективность производства сухих животных кормов в условиях сельскохозяйственных предприятий.

6.1 Типоразмерный ряд ПТЛ приготовления сухих кормов.

6.2 Оптимальное размещение цеха СЖК для зверохозяйств Республики Карелия.

6.3 Сравнительная оценка измельчителей.

6.4 Экономическая оценка и реализация результатов исследований.

В общих издержках производства шкурок пушных зверей, яйца, мяса птицы затраты на корма и их приготовление составляют 70.75% /52,56 /.В связи со структурной перестройкой экономики Российской Федерации в ^ 1991. .2000 годах происходил резкий рост стоимости, как мясорыбных потребляемых в звероводстве, так и концентрированных кормов — основы сухого типа кормления в птицеводстве. Это привело к кризису в отраслях — число хозяйств значительно сократилось. Одновременно, можно отметить, что в этих отраслях есть внутренние резервы, которые используются далеко не полностью.

Изменения в кормовой базе звероводства начали происходить еще раньше, с 1980-годов,когда в рационы зверей стали включать морепродукты, китовое мясо, криль, рыбную муку из малоценных пород рыбы. Научный прогноз отдела кормления НИИ пушного звероводства и кролиководства им. В.А.Афанасьева /187/ предсказывал, что потребность пушных зверей в протеине животного происхождения будет удовлетворятся за счет увеличения в рационах мясокостной и рыбокостной муки. Исследования Н.Ш.Перельдика, Г.С.Таранова, П.Т.Клецкина, В.С.Снытко, Е.С.Цветковой, Ю.Т.Тихонова и др. /ххххххххххххххххххх/ показывают высокую эффективность использования сухих кормов в рационах зверей. В звероводческой отрасли переход на * сухой тип кормления - это перспективный путь развития, так как позволяет значительно снизить себестоимость производимой продукции за счет ликвидации затрат на содержание таких основных фондов, как холодильники, кормоцеха, автомобили - рефрижираторы и др.

В Республике Карелия имеется опыт использования сухих кормов для зверей зарубежного производства, когда в период обострения кризиса традиционной кормовой базы, ряд хозяйств закупал для спасения поголовья основного стада сухие корма в Финляндии. Основой этих кормов является мя-# сокостная мука. Содержание в рационах зверей рыбы, океанических продуктов, рыбокостной муки значительно упало из-за их высокой стоимости, но увеличивается доля костных субпродуктов, они начинают занимать ведущее место в рационах кормления зверей. В птицеводстве, практикующем сухой тип кормления, мясокостная мука используется давно, как белково-витаминная и минеральная добавка к концентрированным кормам растительного происхождения. Активно используют мясокостную муку комбикормовые заводы, балансируя производимую продукцию по содержанию переваримого протеина и минералам. ** Удовлетворение потребностей отраслей в мясокостной муке может происходить двумя путями: приобретение ее на сложившемся рынке или собственное производство внутри хозяйств из отходов основного производства. Рынок мясокостной муки в РФ сейчас испытывает определенное оживление в связи с запретом ввоза в страну мясокостной муки из стран Западной Европы, составлявшей конкуренцию местным производителям. По материалам Интернета (сайт sdelka.Ru ) более десятка фирм и компаний из многих областей России предлагают для реализации мясокостную муку с содержанием протеина от 35 до 55% по цене 6.7,5рублей за килограмм. Тем не менее масштабы производства мясокостной муки в нашей стране незначительны (предложения продаж от 10 до 600 тн. в месяц) и на много уступают по объемам продукции выпускаемой в странах общего рынка.

Мы отмечаем, что в звероводстве и птицеводстве имеется своя сырье-^ вая база для получения мясокостной муки (сухих животных кормов) внутри хозяйств на основе отходов животного происхождения, получающихся в результате повторяющихся производственных циклов. В среднем зверохозяй-стве (4.5тыс. голов основного стада) выход сырья может составить до 300 тонн в год в результате осеннего забоя выращенных щенков зверей, кормовых отходов и условно годного мясокостного сырья. Аналогично, на птицефабрике с поголовьем птицы 100. 150 тыс.кур-несушек выход сырья достигает до 700 тонн в год за счет отходов забойного и инкубационного цехов и падежа птицы. Это важный внутрихозяйственный резерв для укрепления кормовой базы предприятий.

Переработка сырья животного происхождения в хозяйствах может осуществлятся двумя способами: на непрерывно-поточных линиях и линиях периодического принципа действия с горизонтальными вакуумными котлами. Активно рекламируется и продвигается в производство разработка НИИ мясной промышленности непрерывно-поточные линии Я8-ФОБ-МА05 и Я8-ФОБ-МАОб , прототипом которых являлась линия СЖК-100 неудовлетворительно зарекомендовавшая себя в зверохозяйствах. На ветсанутильзаводах (Арзамасский , Вапуйский и др.) и большинстве мясо перерабатывающих предприятий традиционно используют для производства мясокостной муки горизонтальные вакуумные котлы производства Волховского машиностроительного завода. При примерно одинаковой стоимости технологических линий в с/х производстве чаще используются линии с вакуумными котлами. Достоинством их является высокая универсальность при переработке разнородного мясокостного сырья, надежность и простота в эксплуатации, при несколько больших расходах теплоносителя (пара) имеют меньшую установленную мощность электроприводов (40 и 80 квт.).

Изучение работы линий приготовления мясокостной муки в условиях с/х предприятий позволили обобщить недостатки,имеющие место при их эксплуатации. Это отсутствие, в большинстве случаев, операции предварительного измельчения, отсутствие компенсирующих емкостей, потери тепла с конденсатом и соковыми парами, колебания влажности и жирности готового продукта, большой процент выхода недоизмельченной кости. Отсюда воз-«ц никает необходимость оптимизации состава технологических линий, разработка и оптимизация рабочего процесса измельчителей для предварительного измельчения сырья и окончательного измельчения шквары (схода кости-паренки),разработки мероприятий и технических средств,снижающих потери тепла.

Анализ исследований по данной тематике показал, что наряду с глубокими исследованиями отдельных технологических процессов и технических средств, нет комплексных исследований производства СЖК в условиях зве-рохозяйств и птицефабрик. Выполненные ранее исследования недостаточны для решения ряда практических задач, связанных с этой проблемой и не обеспечивают дальнейшего внедрения экологически и экономически выгодной ресурсосберегающей технологии производства СЖК.

Основная цель настоящей работы заключается в обосновании оптимального состава технологических линий, конструктивных схем, рабочих органов и режимов работы входящих в них машин, обеспечивающих снижение затрат при производстве сухих животных кормов, отвечающих требованиям ГОСТ 17536-82, в условиях зверохозяйств и птицефабрик.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- методология системного подхода к оценке функционирования линий приготовления СЖК, что позволило рассмотреть отдельные операции технологии во взаимосвязи, оптимизировать состав, структуру и режим работы поточной линии;

- математическая модель, алгоритм и программа расчета на ПЭВМ рационального набора машин для комплектования переработываемого сырья;

- методика и результаты имитационного моделирования на ПЭВМ процесса функционирования линии;

- методика вероятностно-статистического моделирования линии марковскими цепями по критерию затрат;

- математические модели рабочего процесса измельчителя: мясокостного сырья (измельчитель с плоковращательным режущим аппаратом), шквары и кости-паренки (молотковая дробилка и вальцовая мельница), их конструктивные параметры и режимы работы;

- методика моделирования работы измельчителей вероятностными моделями накопления повреждений (В-модели);

- комплекс научно-технических разработок для модернизации линии 0 приготовления СЖК (A.C. №1169573, 1666721 и др.).

Диссертация является научным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований и разработок изложены научно обоснованные технологические и технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в укрепление экономики с/х предприятий отраслей звероводство и птицеводство.

Предлагаемая к публичной защите работа обобщает многолетние исследования, выполненные лично автором и при его непосредственном участии в соответствии с планом НИР и ОКР Министерства сельского хозяйства РФ ( Ш Госагропрома СССР) и РАСХН по решению научно-технической проблемы 0. сх. 80 и 0. сх. 102 (1981-1985 г.г.) и 0. 51. 12 (1986-1990 г.г.), планом НИР С-ПбГАУ и Зверопрома РФ, а также в соответствии с разделом 10.2.19. Аграрная политика «Концепции социально-экономического развития Республики Карелия» на период 1995-2005 годы, задача 2 «Снижение затрат на производство с/х продукции и повышение ее конкурентнопособности на рынке». s

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ Б.И.Вагину, оказавшему большую помощь ценными консультациями и замечаниями и принявшему непосредственное участие в решении ряда вопросов настоящей работы. Он благодарит также доктора технических наук, профессора Н.А.Барсова и кандидата технических наук В.Ю.Карпина, принявших участие в выполнении отдельных этапов работы. В соответствующих разделах диссертации на соавторов сделаны ссылки.

9 Результаты исследования рабочего процесса вакуумных котлов показали, что при предварительном измельчении тушек зверей и птицы время сушки сокращается на 0,25.0,3 часа. Предлагаемая конструкция рабочего органа смесителя по А.С. 1660721 для вакуумных котлов улучшает режим его работы. Эксергетический анализ работы котлов в режиме теплового аккумулятора показал, что энергетический к.п.д. котлов может быть увеличен на 10. .15%.

10 Предлагаемые в диссертации теоретические предпосылки и методы статистического моделирования могут широко использоваться в исследованиях и практической работе. Технологические и технические решения, обеспечивающие снижение затрат при производстве сухих животных кормов на 15.20 %, приняты для внедрения Министерством сельского хозяйства Республики Карелия с расчетным экономическим эффектом 0,12.0,15 рубля на голову норки и 0,05.0,08 рубля на голову птицы. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

1. Абрамов М.Д. Норководство / М.Д.Абрамов. М.: Колос, 1974. - 208с.

2. Абрамов М.Д. Технология будущего должна быть реалистичной / М.Д.Абрамов // Кролиководство и звероводство. -1981.- №3. С. 17-19.

3. Агеев JI.E. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов / Л.Е.Агеев. Л.: Колос, 1978. -296с.

4. Адамович М. Энергетическая эффективность сельскохозяйственного производства в странах — членах СЭВ / М. Адамович // Междунар. с/х журнал. 1980. - №2. - С.94-97.

5. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. -М.: Наука, 1976. -280с.

6. Алгоритмы оптимизации промышленного животноводства (в системе АСУ-Сельхоз) / Под ред. Ю.А.Вантюсова. Саранск: Изд-во Мордовск. ин-та, 1980. - 59с.

7. Алешкин В.Р. Сравнение измельчителей грубых кормов по обобщенному критерию / В.Р.Алешкин, В.А.Сысуев // Тр. ин-та. Кировский СХИ. - 1981. - Т.72. - С. 12-19.

8. Алешкин В.Р. Изучение рабочего процесса экспериментального измельчителя с применением релейного метода обработки данных / В.Р.Алешкин, В.Г.Мохнаткин // Механизация процессов в животноводстве и кормопроизводстве. Пермь, 1985. - С.9-13.

9. Механизация животноводства / Под ред. С.В.Мельникова. М.: Агропромиздат, 1985. - 336с.

10. Алешкин В.Р. Оптимизация параметров измельчителя грубых кормов / В.Р.Алешкин, В.И.Стяжкин // Механизация процессов в животноводстве Пермь, 1986. — С.20-22.

11. Андреев В.Н. Принятие оптимальных решений / В.Н.Андреев, Ю.Ю.Герасимов. Йоэнсуу: Изд-во ун-та Йоэнсуу, 1999. - 200с.

12. Артюшин A.A. Определение статистических и динамических характеристик машин / А.А.Артюшин // Исследование машин и оборудования для механизации звероводства. Подольск, 1988.-С.4-17.

13. Артюшин A.A. Повышение качества функционирования технических систем хранения и приготовления кормов на животноводческих предприятиях: Автореф. дис. д-ра техн. наук / А. А. Артюшин. Л., 1990. - 38с.

14. A.c. 1169573 СССР МКИ А01 К5/00. Питатель кормов / А.М.Цыпук, Г.И.Малинов; (СССР). -2с.: ил.

15. A.c. 1660721 СССР МКИ В01 F7/08. Смеситель / Р.И.Аюкаев, Г.И.Малинов, В.Д.Журавлев и др.; (СССР).-Зс.: ил.

16. Асмаев М.П. Моделирование процессов пищевых производств / М.П.Асмаев, Ю.Г.Корнилов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 175с.

17. Афанасьев В.А. Основы промышленного производства клеточной пушнины в звероводческих совхозах: Автореф. дис. д-ра с/х наук / В.А.Афанасьев. М., 1968. - 37с.18