автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование рабочего процесса технических средств плющения и консервирования фуражного зерна

На правах рукописи

ЗАБОЛОТСКИХ ИЛЬЯ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПЛЮЩЕНИЯ И КОНСЕРВИРОВАНИЯ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА

Специальность 05 20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03059334 ¿»и/

Киров - 2007

003059394

Работа выполнена в Государственном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им НВ Рудницкого

Научный руководитель- академик Россельхозакадемии,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Сысуев Василий Алексеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ, Мохнаткин Виктор Германович,

кандидат технических наук, Вологжанин Виктор Николаевич

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

Всероссийский научно исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства (ВНИИМЖ)

Защита состоится 30 мая 2007 года в 13 часов 30 минут на заседании регионального диссертационного совета ДМ 006 048 01 при Государственном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им НВ Рудницкого по адресу 610007, Киров, ул. Ленина 166 А, ауд 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Зонального научно-исследовательского института сельского хозяйства Северо-Востока им Н В Рудницкого

Автореферат разослан,^ апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Ф Ф Мухамадьяров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В структуре себестоимости продукции животноводства значительную часть (до 75 %), составляют затраты на производство кормов, снизить которые возможно за счет улучшения их качества, повышения питательности и усвояемости.

Одним из способов повышения питательности и усвояемости зерна является технология плющения и консервирования зерна, хранение его в герметичных условиях после обработки химическими консервантами. Внесение консервантов предназначено для блокирования развития плесневых грибков и вредных микроорганизмов, а также предотвращения порчи в процессе хранения. Использование технологии плющения и консервирования фуражного зерна позволяет за счет ранней уборки зерновых получить с одного гектара урожай на 5... 10 ц больше, обеспечивает снижение затрат на хранение на 20...30% и повышение привесов животных на 5... 10%.

Таким образом, дальнейшее совершенствование рабочего процесса существующих конструкций плющилок зерна и систем внесения консерванта остается актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н В Рудницкого (номер государственной регистрации 01970007280).

Цель исследований. Совершенствование рабочего процесса технических средств плющения и консервирования фуражного зерна

Объект исследования. Технические средства для плющения и консервирования фуражного зерна.

Научная новизна:

- конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна (патент РФ на изобретение № 2268775 МПК7 В 02 С 4/02, патент РФ на полезную модель № 48817 МПК7 В 02 С 4/00),

- алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;

- математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и ее экономическая эффективность.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Ценность работы заключается в возможности использования разработанного технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна в кормопроизводстве,, позволяющего плющить зерно различной влажности с одновременным внесением консерванта.

По результатам исследований разработана конструкторская и техническая документация, изготовлен опытный образец плющилки зерна, который установлен в линии заготовки кормов СХПК "Красная Талица" Кировской области, прошел государственные приемочные испытания и рекомендован для выпуска опытной партии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: Вятской государственной сельскохозяйственной академии (2004...2007 г.г.), Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (Москва 2006 г.г.).

Защищаемые положения:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;

- математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна,

- результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и его экономическая эффективность

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 16 научных публикациях, в том числе патенте РФ на изобретение и патенте РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 171 страницу, 37 рисунков, 31 таблицу и 7 приложений. Список использованной литературы включает 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенни дано краткое обоснование актуальности темы, сформулирована цель работы и приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе "Современное состояние механизации технологии консервирования плющеного зерна и задачи научных исследований" представлен анализ литературных и патентных источников Рассмотрены зоотехнические требования к качеству плющения зерна Проведены анализ научных работ по исследованию физико-механических свойств зерна, обзор существующих технологий получения кормов из фуражного зерна, анализ научных работ по процессу консервирования зерна и применяемым консервантам, обзор существующих конструкций плющилок зерна и устройств внесения консерванта в плющеное зерно. Рассмотрены преимущества двухступенчатого плющения зерна гладкими вальцами и недостатки конструкции плющилки, выявленные в ходе предварительных испытаний. Использованная система дозирования не обеспечивает равномерность подачи зерна в зону плющения, расположение в основании выгрузного шнека распыляющей консервант форсунки способствует ее забиванию в процессе работы агрегата. Эти недостатки приводят к значительному снижению качества готового продукта

На основании проведенного обзора и в соответствии с целью исследований поставлены следующие задачи:

- усовершенствовать конструктивно-технологическую схему технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- провести теоретические исследования процесса взаимодействия потоков плющеного зерна и консерванта в выгрузной камере плющилки;

- определить оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна,

- провести испытания плющилки зерна и оценить ее экономическую эффективность.

Во второй главе "Расчетно-теоретический анализ процесса внесения консерванта в плющеное зерно" представлены усовершенствованная конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна (плющилки зерна) и теоретическое моделирование потоков консерванта и частиц плющеного зерна, а также моделирование их взаимодействия

при распылении консерванта на поток частиц плющеного зерна в выгрузной камере плющилки

При расположении форсунки в выгрузной камере плющилки зерна (рис. 1) смешивание происходит за счет взаимодействия однослойного потока плющеного зерна и распыляемого на него консерванта

Для исследования процесса взаимодействия консерванта и частиц плющеного зерна необходимо рассмотреть движение последних в пределах выгрузной камеры вальцовой плющилки

-5

1- смесительная камера,

2 - форсунка,

3 - поток консерванта,

4 - поток плющеного зерна,

5 - вальцы,

ас - высота зоны смешивания

Рис 1 Схема взаимодействия потоков плющеного зерна и консерванта в выгрузной камере вальцовой плющилки зерна

Рассмотрим силы (рис 2), действующие на материальную точку М (одну зерновую частицу) имеющую некоторую начальную

скорость о0 0| I I

Уравнение движения точки М имеет вид-

mx~mg-R, (1)

где т - масса зерновой частицы, кг, g - ускорение свободного падения, м/с2, Я - сила сопротивления среды, Н

Учитывая, что Л = ткх2, где к - коэффици-Силы, дейст- ент парусности частицы и, поделив обе час-частицу ти уравнения (1) на т, получаем

кх2 (2)

Рис 2 вующие зерна при движении в выгрузной камере

Определение перемещения по времени частицы сводится к нахождению частного решения дифференциального уравнения второ-

го порядка (3) удовлетворяющего начальным условиям л:(0) = 0, л(0) = о0

*(0 = £-ВД2 (3)

Частное решение уравнения (3) имеет вид

x--t

2jg

(4)

Если при определении перемещения частиц зерна принять допущение, что сила сопротивления среды в смесительной камере плющилки не оказывает значительного воздействия на движение частиц зерна, то уравнение (3) запишется в виде'

x = g (5)

Данное уравнение решается последовательным интегрированием

x = gt + Cl;

2 1 2

С учетом начальных условий получили зависимость

2

Полученные выражения (4) и (6) позволили разработать методику расчета перемещения частиц и реализовать ее в компьютерной программе в Mathcad 2001 Professional Результаты расчета перемещения при начальной скорости движения плющеной зерновой частицы и0 = 6 м/с представлены на рисунке 3.

- + u0t

(6)

10

-v 5

/у

05 t

к^З

г к = 0,153 - коэффициент парусно-

к = 0 153 сгги частицы при скорости витания 5 м/с,

к = 0,390 к = 0,39 - коэффициент парусности частицы при скорости витания 8 м/с,

к = 0 - без учета силы сопротивления среды

Рис 3 Зависимость перемещения плющеной зерновой частицы от времени в зоне смешивания

Из анализа зависимостей следует, что сила сопротивления среды не оказывает существенного влияния на перемещение частиц при небольших значениях перемещения х и времени Незначитель-

ное влияние силы сопротивления среды дает возможность использовать упрощенную формулу (6) определения движения частиц плющеного зерна в смесительной камере плющилки.

Для моделирования потоков плющеного зерна и консерванта вводим плоскую систему координат ХОУ (рис 4) Диапазон изменения координаты 7,0 точки вылета частицы по оси ОУ ограничиваем точками а и Ъ, координаты которых обусловлены конструктивными параметрами, точки а и с соответствуют высоте зоны смешивания Координата Уз0 точки выпадения каждой частицы зерна является случайной величиной, определяемой с использованием функции программы - генератора равномерного закона распределения случайной величины, позволяющего получить столбец значений координат выпадения частиц (7)

(Ум) = гиш^Л^б)

(7)

1 — факел консерванта,

2 — распылительная форсунка,

аЪ - диапазон изменения координаты точки вылета частицы (ширина выгрузной камеры),

ас — высота смесительной зоны выгрузной камеры

Рис 4 Схема к определению координаты вылета частиц зерна и координат капель консерванта

Рассмотрим моделирование потока консерванта Для определения расположения отдельных капель в системе координат ХОУ принимаем, что средние значения координат капель хж и уж совпадают с координатами центра факела распыла консерванта, а средние квадратические отклонения координат генерируемых капель охж и оуж рассчитывали по результатам исследований распыла консерванта форсункой с круглым соплом и с щелевым распылителем. Координаты капель по осям ОХ и ОУ являются случайными величинами, принимаем, что они распределены на плоскости по нормальному закону распределения и, следовательно, их значения получаем с использованием генератора случайных величин, распределенных по

нормальному закону:

Хж= гпотт(Ыж,хяс> (8)

где Хж - генерируемая координата отдельной капли по оси ОХ; хж - среднее значение координаты капли консерванта по оси X; охж - среднее квадратическое отклонение от хж; Л^ - число капель.

гпогтфжУж оуж), (9)

где - генерируемая координата отдельной капли по оси ОУ: уж - среднее значение координаты капли консерванта по оси У; оуж ~ среднее квадратическое отклонение оту*..

По результатам моделирования координат УЖ: и Хж капель консерванта получаем моделируемый факел распыла консерванта. На рисунке 5 представлены проекции моделируемых факелов распыла для форсунки с круглым соплом и щелевым распылителем.

форсунка с круглым соплом форсунка с щелевым распылителем

Рис. 5. Проекции моделируемых факелов распыла консерванта

Программа численного эксперимента по определению попадания капель консерванта на частицы плющеного зерна, учитывает сближение генерируемых координат центров тяжести частиц плющеного зерна с генерируемыми координатами центров тяжести капель консерванта на расстояние меньшее, чем сумма радиусов час-

тиц плющеного зерна и капель распыляемого консерванта, то есть выполняется условие

+ (10)

По результатам численного эксперимента определяется объем жидкости, попавшей на отдельную частицу плющеного зерна, объем консерванта, распыляемого за время опыта на поток зерна, а также количество консерванта, попавшего на частицы плющеного зерна

Качество смешивания оценивали равномерностью распределения капель консерванта по частицам зерна, численной характеристикой которого служит дисперсия распределения капель и ее среднее квадратическое отклонение

За время опыта объем распыленного консерванта составил 6,9 10"7 м3 для обоих типов форсунок Объем консерванта, попавшего на частицы плющеного зерна при распылении его с помощью

7 3

форсунки с круглым соплом больше - 5,72 10" м , чем при распылении форсункой с щелевым распылителем - 5,61-10"7 м3 Поэтому выше и процент консерванта попавшего на частицы плющеного зерна (83% и 81% соответственно) от общего количества распыленного консерванта При использовании форсунки с круглым соплом более высокие значения, в отличие от форсунки с щелевым распылителем, имеют дисперсия (5,34 Ю"20 против 3,79 Ю~20) и среднее квадратическое отклонение (2,31-Ю"10 против 1,95-Ю"10), что характеризует более низкую равномерность распределения консерванта по частицам плющеного зерна

Таким образом, целесообразным является использование форсунки с щелевым распылителем для внесения консерванта в поток плющеного зерна, так как данный тип форсунки обеспечивает наиболее равномерное распределение консерванта по зерновому материалу при незначительном снижении количества консерванта, попавшего на частицы плющеного зерна

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" представлены программа и методика исследований прочностных свойств зерна, рабочего процесса двухступенчатой плющилки зерна и определения качества работы оборудования для внесения консерванта, приводится принцип работы экспериментальной установки для испытания зерен на сжатие, дана методика анализа экспериментальных данных

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТ и общепринятыми методиками испытаний машин, обеспечивающих получение первичной информации в виде результатов реализаций случайных процессов Их обработка проводилась на персональном компьютере с использованием программ Statgraphics Plus 5 1, Excel, Mathcad 2001 Professional

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна" представлены результаты экспериментальных исследований процессов плющения и консервирования зерна С учетом обзора конструкций и результатов теоретических исследований был изготовлен опытный образец двухступенчатой плющилки зерна, конструктивно-технологическая схема которого представлена на рисунке 6

Для обеспечения качественного взаимодействия потоков зерна и консерванта поток зерна должен быть однослойным и равномерным Получаемые зерновые хлопья должны хорошо впитывать попавший на них консервант и обеспечивать высокую переваримость и усвояемость корма

I - рама, 2, 9 — электродвигатель; 3,5,14,

— очищающие ножи 4

- ременная передача, 6,12,15 - вальцы, 7 -опоры, 8 - питатель, 10-цепная передача,

II - питательный бункер, 13 - защитное устройство, 16 — шнековый транспортер; 17 —форсунка

Рис 6 Конструктивно-технологическая схема плющилки зерна

Основными показателями качества готового продукта являются коэффициент абсорбции (показатель, характеризующий способность материала поглощать своей поверхностью и удерживать жидкие и газообразные вещества) и средняя толщина хлопьев На них сильное

влияние оказывает равномерность подачи зерна в зону плющения, поэтому были проведены исследования по определению влияния типа и частоты вращения питающего устройства на коэффициент абсорбции, среднюю толщину хлопьев, а также на пропускную способность плющилки и энергозатраты (рис. 7).

В качестве питающего устройства были использованы лопастной питатель, шнековый питатель и питающий валец с канавками, выполненными по винтовой линии

а б

-питающий валец с канавками,-----лопастной питатель,

— — шнековый питатель

Рис 7 Влияние частоты вращения питающего устройства на показатели рабочего процесса плющилки а - пропускную способность Q и энергозатраты Э, б - коэффициент абсорбции j и среднюю толщину хлопьев h

Исследования проводились на зерне ячменя. Диаметр вальцов равнялся 275 мм, а окружная скорость вальцов составляла 6 м/с. Частота вращения устройства изменялась в диапазоне 50 150 мин"1

По результатам исследований построены зависимости (рис 7), анализ которых показал, что увеличение частоты вращения всех типов питателей приводит к снижению коэффициента абсорбции до 0,73 .. 0,47 и увеличению средней толщины хлопьев до 1,57 .1,8 мм

При этом увеличение частоты питающего устройства приводит к росту пропускной способности шнекового питателя (1,1. ,2,3т/ч) и вальца с канавками (3,2 4,4 т/ч), а у лопастного питателя сначала к росту до 3,6 т/ч, затем к снижению до 3,2 т/ч

На процесс плющения зерна значительное воздействие оказывает влажность материала, поэтому был реализован план активно-пассивного эксперимента, в котором оценивали влияние управляемых факторов хгтипа питателя, х2-частоты вращения питателя и контролируемого фактора *3-влажности зерна на пропускную способность у и энергозатраты^ коэффициент абсорбции^ и среднюю толщину

хлопьев у4. После реализации матрицы типа 2 и обработки результатов получены модели регрессии, описывающие влияние вышеуказанных факторов.

у, =3,261+0,387 Л,+0,407 х, +0,164 х,+ 0,204 х2 +0,055 х, х3-0,031 х, л3 , (11) _у2 =4,657-0,491-х,-0,068 х,-0,155 х,-0,412-х1-х2 +0,004 х, х3+0,058-х2 Х3 , (12) _у3 = 0,664 +0,107-х, -0,089-л^ +0,049 х,+0,019-^ -0,006 л^-х,-0,006-;^ х,, (13) >>,=1576-0139 х, +0 107 х,+0 022 х3+0023 х, х2-0,005 х, х3+0,006 ^ Х3 (14)

Анализ математических моделей (11 . 14) показывает, что на критерии оптимизации значимо влияют все факторы.

лопастной питатель (Х] = -1)

Рис 8 Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие влияние частоты вращения питающего устройства п и влажности материала на

-пропускную способность, т/ч,-----энергоемкость, кВт ч/т,

- - - • коэффициент абсорбции, • среднюю толщину хлопьев, мм

В результате анализа двумерных сечений (рис 8) были сделаны выводы, что более целесообразным является использование в качестве питающего устройства вальца с канавками, так как в сравнение с ним лопастной питатель обеспечивает меньшую пропускную способность, при низких значениях коэффициента абсорбции -0,44.. 0,71, независимо от влажности материала

При плющении зерна влажностью 20 .23 % для питающего вальца оптимальная частота вращения составляет 80 100 мин при этом средняя толщина хлопьев - 1,38 1,42 мм, коэффициент абсорбции - 0,8 ..0,83, пропускная способность - 3,4 3,8 т/ч и энергозатраты - 4,0.. 4,3 кВт ч/т

На следующем этапе для изучения процесса внесения консерванта были проведены однофакторные эксперименты по определению влияния типа форсунки и расстояния Ь до потока плющеного зерна (рис 9) на показатели процесса внесения консерванта в поток плющеного зерна, такие как неравномерность распределения консерванта по массе и количество консерванта, не попавшего на поток зерновых хлопьев Для проведения опытов использовались форсунка с круглым соплом и форсунка с щелевым распылителем

Рис 9 Схема взаимодействия потоков зерна и консерванта

Конструктивное исполнение плющилки позволяет изменять расстояние от форсунки до потока плющеного зерна в необходимых для эксперимента пределах - 50. 250 мм Окружная скорость вальцов составляла 6,5 м/с. После обработки консервантом дополнительного смешивания не проводилось, выгрузка осуществлялась в короб, разделенный на 9 отсеков для отбора проб В качестве консерванта использовался раствор уксусной кислоты предварительно установленной концентрации согласно методике определения каче-

2

3

1

1- форсунка,

2- факел распыла консерванта,

3- поток плющеного зерна, И - расстояние между форсункой и потоком зерна

ства работы оборудования для внесения химических консервантов Так как в процессе экспериментов исследовали равномерность распределения консерванта по массе плющеного зерна без дополнительного смешивания, то для исключения стекания в короб консерванта, попавшего на стенки выгрузной камеры, на них были наклеены поролоновые полосы для его улавливания Исследования проводили на зерне ячменя, влажность которого поддерживалась постоянной на протяжении всей серии опытов

По результатам испытаний были построены графические зависимости количества консерванта, не попавшего на поток плющеного зерна и неравномерности его распределения по массе Готового продукта зависимости от типа форсунки и расстояния от нее до потока плющеного зерна (рис. 10)

Анализ зависимостей показывает, что увеличение расстояния от форсунки до потока плющеного зерна в диапазоне 50 150 мм приводит к уменьшению неравномерности распределения консерванта по массе зерна до 10 % для форсунки с щелевым распылителем и до 15,5% для форсунки с круглым соплом При этом количество консерванта, не попавшего на поток плющеного зерна, уменьшается до 27,7% и 28,5% соответственно Дальнейшее увеличение h до 250 мм для обоих типов форсунок повышает неравномерность распределения и увеличивает количество консерванта, который не попал на поток плющеного зерна

50-

SK,SP( %"

3020100--------форсунка с круглым соплом,- щелевой распылитель

Рис 10 Влияние расстояния от форсунки до потока плющеного зерна на неравномерность распределения 5р и количество консерванта, не попавшего на поток плющеного зерна SK

Из анализа графических зависимостей можно сделать вывод, что наименьшие значения неравномерности внесения и распределения консерванта достигаются при h = 130 .170 мм между форсункой и потоком плющеного зерна для обоих типов форсунок. При этом щелевой распылитель обеспечивает более равномерное распределение консерванта по массе зерна при меньшем проценте консерванта, который не взаимодействовал с потоком плющеного зерна.

На основании теоретических исследований процесса распыления консерванта на поток плющеного зерна определено, что на взаимодействие потоков оказывает влияние скорость перемещения хлопьев в пределах выгрузной камеры, которая зависит от окружной скорости вальцов Поэтому были проведены исследования методом активного эксперимента по определению влияния расстояния между щелевым распылителем и потоком плющеного зерна и окружной скорости вальцов д^ на неравномерность распределения консерванта по массе плющеного зерна yi и на количество консерванта, не попавшего на поток плющеного зерна у'2 На этом этапе исследований реализовали матрицу типа З2, уровни и интервалы варьирования факторов были выбраны по результатам предыдущих исследований

После реализации матрицы активного эксперимента получены адекватные модели регрессии, описывающие влияние факторов на рабочий процесс:

yt = 9,17 -1,31-х, - 2,46 • х2 + 0,28 х, -х2 +1,84 -xf +3,24 -х\ ; (15) у2 =25,69 -1,95- х, +1,26- х2 - 0,46 х, -х2 +3,75 -х? -0,23 -х\ (16)

Анализируя модели (15) и (16), можно сделать вывод, что на критерии оптимизации значимое влияние оказывают оба фактора

Анализ двумерных сечений (рис 11, а) показал, что при увеличении окружной скорости о до 5,5. 6,1 м/с и расстояния h до 140.. 170 мм наблюдаются наименьшие значения неравномерности распределения консерванта по массе плющеного зерна-8.. 10%

По представленным двумерным сечениям (рис 11, б) видно, что для достижения наименьшего количества консерванта, который не взаимодействовал с потоком плющеного зерна необходимо снижать окружную скорость идо 4,7. .4,8 м/с при h = 160 мм.

Рис 11 Двумерные сечения поверхности отклика характеризующие влияние расстояния от форсунки до потока плющеного зерна Ь, окружной скорости вальцов и на а - неравномерность распределения консерванта, б - неравномерность внесения консерванта

При оптимизации параметров процесса и имея несколько критериев оптимизации, приходится решать компромиссную задачу, так как на экстремум одной поверхности отклика налагаются ограничения другой поверхности Таким образом, можно сделать вывод, что в данном случае наиболее рационально размещать форсунку на расстоянии Ь - 160 мм, при окружной скорости вальцов и - 5,4 5,7 м/с, в результате чего неравномерность распределения консерванта по массе составляет около 10%, а количество консерванта, не попавшего на поток плющеного зерна составляет около 26%

По зоотехническим требованиям неравномерность распределения консерванта по массе зерна должна составлять не более 10%, а отклонение от нормы внесения не более 15%. При работе плющилки в производственных условиях основная часть консерванта, попавшего на стенку выгрузной камеры, вдоль которой движется однослойный поток плющеного зерна, счищается зерновыми хлопьями Это приводит к двухсторонней обработке хлопьев консервантом Оставшееся на стенке выгрузной камеры незначительное количество консерванта по мере накопления стекает в готовый продукт Шнековый выгрузной транспортер обеспечивает дополнительное смешивание и соответствие качественных показателей зоотребова-ниям

На следующем этапе провели производственную проверку по исследованию скармливания плющеного и консервированного зерна озимой ржи восковой спелости на базе ОНО Кировская Лугоболотная

опытная станция Всероссийского института кормов им. В Р Вильямса Исследования показали, что плющеное в стадии восковой спелости зерно превосходит спелое по концентрации обменной энергии на 14%, по содержанию водорастворимых Сахаров на 60% и по содержанию крахмала на 14,4%. Консервирование плющеной ржи различными консервантами увеличивает переваримость in vitro в в сравнении с консервированным цельным зерном ржи на 42,8%

Проведены опыты по плющению и консервированию зерна озимой ржи восковой спелости с использованием разработанной плющилки зерна, в ходе которых изменяли величину выходного зазора для изменения средней толщины хлопьев 0,5. .2,5мм (рис 12)

Анализ зависимостей показывает, что оптимальная толщина хлопьев составляет 1,35 мм, при которой в процессе хранения достигаются максимальные значения питательности и концентрации обменной энергии - 1,40 корм ед и 13,47 МДж/кг, соответственно

1,41

Р,

КЩ

1,38 1,37 1,36 1,35 1,34

р

О э.

У

' — >

13,7

оэ,

МДж/кг н 13,5

2,52 2,45 1,79 1,69 1,48 1,35 Н,мм 0,5

13,4 13 3 13,2 13,1 13,0

среднчч толщина хлопьев, мм, ОЭ - концентрация обменной энергии МДж/кг,

Р - питательность, корм, ед

Рис 12 Влияние средней толщины хлопьев на питательность и концентрацию обменной энергии плющеного зерна озимой ржи

Исследования по влиянию скармливания плющеной консервированной ржи восковой спелости на физиологическое состояние и продуктивность крупного рогатого скота проводили на коровах первой лактации со среднесуточным удоем 22 . 25 кг молока и средним весом одной головы 500 кг, которые получали рацион, состоящий из 3,5 кг дробленого ячменя и 5,3 кг плющеной консервированной ржи (контрольная группа - 7 кг ячменя) При скармливании подготовленной ржи в количестве 60% от зерновой части концентрированных кормов поедаемость рационов животными опытной и контрольной групп была одинаковой Отрицательного воздействия на физиологическое состояние организма не выявлено. Среднесуточ-

ный удой молока за период опыта в опытной группе составил 23,14 кг/гол против 23,36 кг/гол в контроле. За счет снижения стоимости рациона кормления во время опыта, при реализации продукции было получено 566 рублей прибыли Годовой эффект составит 646 рублей на одну голову

В пятой главе "Испытания и экономическая эффективность плющилки зерна" приведены результаты приемочных испытаний опытного образца плющилки зерна ПЗД-З проведенных Федеральным государственным учреждением "Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция"

В результате испытаний было установлено, что пропускная способность при плющении и консервировании зерна ячменя составляет 4,4 т/ч, зерносмеси - 3,7 т/ч при энергозатратах - 2,6. .3,7 кВт ч/ т, коэффициенте абсорбции - 0,72 .0,86, отклонении от нормы внесения консерванта - 6,25 6,52% и неравномерности распределения консерванта по массе плющеного зерна - 4,89.. 5,08 %

По результатам испытаний получены рекомендации о выпуске опытной партии плющилок зерна

Экономический эффект от применения технического средства для плющения зерна с одновременным внесением консервантов ПЗД-З по сравнению с техническим средством для плющения зерна с одновременным внесением консервантов М1Ж8КА-3508 составляет 61 рубль на тонну готовой продукции

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна (патент РФ на изобретение № 2268775 МПК7 В 02 С 4/02, патент РФ на полезную модель № 48817 МПК7 В 02 С 4/00),

2 Разработан алгоритм программы, позволяющий провести моделирование движения и взаимодействия потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;

3 Исследования по оптимизации конструктивно-технологических параметров технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна показали, что питающий валец с канавками криволинейной формы обеспечивает наиболее равномерную подачу зернового материала в зону плющения

При плющении зерна влажностью 20...23 % оптимальная частота вращения составляет 80... 100 мин'1, при этом средняя толщина хлопьев - 1,38.. 1,42 мм, коэффициент абсорбции - 0,8...0,83, пропускная способность - 3,4...3,8 т/ч, энергозатраты - 4,0...4,3 кВт-ч/т.

Установлено, что размещение форсунки на расстоянии до потока плющеного зерна h = 160 мм, при окружной скорости вальцов и - 5,4...5,7 м/с, обеспечивает равномерность распределения консерванта по массе 89...91%.

4. Приемочными испытаниями плющилки зерна ПЗД-З установлено, что пропускная способность при плющении и консервировании зерна ячменя составляет 4,4 т/ч, зерносмеси - 3,7 т/ч. При этом энергозатраты составляют 2,6. 3,7 кВт ч/ т, коэффициент абсорбции - 0,72. 0,86. Равномерность распределения консерванта после дополнительного перемешивания в выгрузном шнеке плющилки составляет 94,9...95,1 %.

По результатам испытаний получены рекомендации о выпуске опытной партии плющилок зерна

5. Производственная проверка в ОНО Кировская Лугоболотная опытная станция Всероссийского института кормов им. В Р. Вильямса показала, что консервирование плющеной ржи увеличивает переваримость in vitro в сравнении с консервированным цельным зерном ржи на 42,8% В процессе исследований определена оптимальная толщина хлопьев - 1,35 мм, при которой в процессе хранения консервированного зерна достигаются максимальные значения питательности - 1,40 корм. ед. и концентрации обменной энергии - 13,47 МДж/кг

При скармливании подготовленной ржи в составе рациона в количестве 60% от зерновой части концентрированных кормов годовой экономический эффект составляет 646 рублей на одну голову.

6. Экономический эффект от применения технического средства для плющения зерна с одновременным внесением консервантов ПЗД-З по сравнению с техническим средством для плющения зерна с одновременным внесением консервантов MURSKA-350S составляет 61 рубль на тонну готовой продукции.

Основпые положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Одегов В А., Соболева Н Н, Заболотских И.Ю. Результаты предварительных исследований двухступенчатой плющилки зерна // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Межвузов, сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2004. - Вып. 3. - С. 64-68.

2. Сысуев В.А., Савиных П А., Русаков Р.В , Заболотских И Ю. Технология плющения ржи // Комбикорма. - 2004. - №6. - С. 25-26.

3. Патент на полезную модель №48817 РФ, МПК7 В 02 С 4/00 Вальцовый станок / Сысуев В А, Савиных П.А., Алёш-кин AB., Заболотских И.Ю., Сычугов Ю В и др (РФ) - 2 с . ил

4 Патент на изобретение № 2268775 РФ, МПК7 В 02 С 4/02. Вальцовый станок / Сысуев В А., Савиных П А., Чернятьев H.A., Алешкин A.B., Заболотских И.Ю и др. (РФ) - 4 с.1 ил.

5. Сысуев В.А, Савиных ПА., Одегов В.А., Заболотских И Ю Результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров работы двухступенчатой плющилки зерна // Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska I standardow ue. Materialy na konferencje - Warszawa, 2004 -C 441. . 446.

6. Сысуев В A, Савиных П А., Одегов B.A., Заболотских И.Ю Влияние окружной скорости и влажности материала на рабочий процесс двухступенчатой плющилки зерна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. Межведом тематич. сб -Минск РУНИП ИМСХ HAH Беларуси, 2004. - Вып. 38. - С. 120-127.

7. Савиных П.А., Русаков Р.В , Заболотских И.Ю. Разработка и результаты исследований двухступенчатой плющилки зерна // V Межрегион. специализир. конф. тез док. - Киров, 2005. - С 91-97.

8 Сычугов Ю.В , Одегов В.А., Заболотских И Ю./ Влияние межвальцевого зазора второй ступени на показатели рабочего процесса двухступенчатой плющилки зерна // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - Киров, 2005 - №7. - С. 173-175.

9. Заболотских И.Ю., Соболева Н Н Результаты исследований физико-механических свойств зерна озимой ржи // Приоритетные направления научно-технического обеспечения АПК Северо-Востока- Мат-лы Междунар. науч.-пракг. конф. - Киров, 2005 -С. 288-294.

10. Заболотских И.Ю. Результаты исследований процесса распыления консерванта на поток плющеного зерна в выгрузной камере плющилки // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвузов, сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - Вып. 6. - С. 136-141.

11. Сысуев В.А., Савиных П.А., Алешкин А.В., Заболотских И.Ю., Экспериментально-теоретические исследования внесения консерванта в плющеное зерно при разработке ресурсосберегающих технологий заготовки кормов // Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве: Труды 5-й меяздунар.научн.-техн конф ГНУ ВИЭСХ,- Москва, 2006. - 4.3. - С.81 - 87.

12. Сысуев В.А., Савиных П.А., Заболотских И Ю., Сычугов Ю.В. Влияние силы сопротивления среды на движение плющеного зерна в выгрузной камере вальцовой плющилки // Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska i standardow UE: Materialy na konferencje.- Warszawa, 2006. - С 469-472.

13. Одегов В А., Соболева H.H., Заболотских И.Ю. Исследования влияния влажности на физико-механические свойства зерна различных культур // Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska i standardow UE: Materialy na konferencje.- Warszawa, 2006. - C.418-420.

14. Заболотских Г.Б., Савиных П.А., Одегов B.A., Заболотских И.Ю. Математическое моделирование процесса взаимодействия потоков зерна и консерванта // XII International Symposium: Ecological aspects of mechanization production. - Warszawa, 2006. - C.209-215.

15. Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна /В.И Сыроватка, В.Д. Попов, В.А. Сысуев, Д С. Стребков,: Под. ред Ю.Ф. Лачуга. - М.: Россельхозакаде-мия, 2006. - 130 с.

16. Заболотских И.Ю. Влияние питающего устройства на показатели рабочего процесса плющилки 'зерна // Совершенствование технологий и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства: Материалы научно-практической конференции. - Киров. НИИСХ Северо-Востока, 2007. - С. 143-147.

Подписано в печать 18 04 2007 г Формат 60х841/|6 Уел печ л 1,0 Тираж 80 экз Заказ №24

Отпечатано с оригинал-макета Типография НИИСХ Северо-Востока имени Н В Рудницкого 610007, г Киров, ул Ленина, 166А

ВВЕДЕНИЕ 4 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ КОНСЕРВИРОВАНИЯ ПЛЮЩЕНОГО ЗЕРНА И ЗАДАЧИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Зоотехнические требования к плющению, консервированию фуражного зерна и обзор применяемых консервантов.

1.2. Обзор исследований физико-механических свойств зерна.

1.3. Анализ технологий приготовления концентрированных кормов.

1.4. Технические средства для плющения и консервирования фуражного зерна.

1.5. Задачи научного исследования.

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВНЕСЕНИЯ КОНСЕРВАНТА В ПЛЮЩЕНОЕ ЗЕРНО.

2.1. Теоретические исследования движения частиц потока плющеного зёрна в смесительной камере плющилки.!.

2.2. Численный эксперимент по определению вероятности попадания капель консерванта на частицы плющеного зерна при взаимодействии их моделируемых потоков

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Лабораторная установка и методика определения прочностных свойств зерна разных культур и сортов.

3.3. Приборы, аппаратура и устройства для экспериментальных исследований.

3.4. Методика исследований.

3.4.1. Методика исследований показателей процесса плющения, определения влажности и гранулометрического состава готового продукта.

3.4.2. Методика определения качества работы оборудования для внесения химических консервантов в плющеное зерно.

3.4.3. Выбор критериев оптимизации, основных факторов процесса плющения и консервации фуражного зерна и методика проведения многофакторных экспериментов.

3.5. Методика исследований консервирования зерна озимой ржи

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ПЛЮЩЕНИЯ И КОНСЕРВИРОВАНИЯ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА.

4.1. Результаты исследований физико-механических свойств зерна различных культур и сортов.

4.2. Исследования влияния типа и частоты вращения питающего устройства на показатели рабочего процесса усовершенствованной плющилки зерна.

4.3. Экспериментальные исследования процесса внесения консерванта в поток плющеного зерна.

4.4. Исследования плющения и консервирования зерна озимой ржи.

5. ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА.

5.1. Приемочные испытания плющилки зерна.

5.2. Расчет энергетической эффективности плющилки зерна.

5.3. Экономическая оценка плющилки зерна.

Основой укрепления и развития отрасли животноводства является создание прочной кормовой базы. В настоящее время доля кормов в себестоимости продукции животноводства составляет 60.75% и основные убытки в сельском хозяйстве обуславливаются высокими затратами кормов в расчете на производство единицы продукции.

Снизить потери корма возможно за счет улучшения их качества, что позволит улучшить их переваримость и усвояемость и обеспечить животных полноценными кормами, сбалансированными по питательным веществам.

Один из способов сохранения питательности и увеличения переваримости зерна - использование технологии плющения и консервирования зерна, хранение его в герметичных башнях и траншеях после обработки химическими консервантами.

При использовании технологии плющения влажного зерна уборка осуществляется тогда, когда зерно достигло наибольшей питательности, которая по мере высыхания даже на корню в дальнейшем уменьшается за счет испарения вместе с влагой некоторой части самых легкорастворимых питательных веществ. Высокая питательность достигается за счет того, что в это время в составе содержащихся в зерне углеводов до 15 % от сухого вещества составляют сахара и до 60 % - крахмал, а сырая клетчатка представлена преимущественно хорошо перевариваемыми формами; в составе белков отмечается высокий удельный вес водо- и солерастворимых фракций.

Также применение технологии плющения зерна ранних стадий спелости позволяет на 2.3 недели раньше обычного начинать уборку урожая; что дает возможность выращивать более поздние и урожайные сорта зерновых культур. При этом погодные условия не оказывают решающего значения при заготовке кормов, не требуется сушка зерна; отсутствует необходимость дробить зерно после сушки.

Технология плющения влажного зерна предусматривает внесение консервантов, позволяющих блокировать развитие плесневых грибков и вредных микроорганизмов, а также обеспечить минимальные потери в процессе хранения, что приведет к повышению качества получаемого корма.

Использование технологии плющения зерна обеспечивает снижение затрат на хранение на 20. .30% и повышение привесов животных на 5. .10%.

Таким образом, дальнейшее совершенствование рабочего процесса существующих конструкций плющилок зерна и разработка новых по-прежнему остается актуальной задачей.

Целью работы Совершенствование рабочего процесса технических средств плющения и консервирования фуражного зерна.

Научную новизну работы составляют:

- конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна (патент РФ на изобретение № 2268775 МПК7 В 02 С 4/02, патент РФ на полезную модель № 48817 МПК7 В 02 С 4/00);

- алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;

- математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и ее экономическая эффективность.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанного технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна в кормопроизводстве, позволяющего плющить зерно различной влажности с одновременным внесением консерванта.

Исследования плющения и консервирования зерна озимой ржи позволяют за счет применения предложенного рациона кормления КРС снизить затраты на производство продукции животноводства

По результатам исследований разработана конструкторская и техническая документация и изготовлен опытный образец плющилки зерна.

Проведены приемочные испытания плющилки в производственных условиях Федеральным государственным учреждением "Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция" в СПК "Красная Талица" Кировской области.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н. В. Рудницкого (тема 02.04.02 с Россельхозакадемией, номер государственной регистрации 01970007280).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- усовершенствованная конструктивно-технологическая схема технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- алгоритм программы, позволяющий моделировать движение и взаимодействие потоков консерванта и плющеного зерна в выгрузной камере плющилки;

- математические модели, определяющие оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы технического средства для плющения и консервирования фуражного зерна;

- результаты испытаний опытного образца плющилки зерна и его экономическая эффективность.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: ФГУ ВПО Вятская ГСХА (2004.2007 г.г.), ГНУ ВИЭСХ (Москва 2006 г.г.).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 16 научных публикациях, в том числе патенте РФ на изобретение и патенте РФ на полезную модель.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 171 страницу, 37 рисунков, 31 таблицу, 7 приложений.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Испытанный образец плющилки зерна двухступенчатой ПЗД-З.1 не полностью соответствует отдельным требованиям НД по показателям назначения, надежности и безопасности.

Перечень несоответствий и недостатков приведен в разделе 4 «Заключение по результатам испытаний».

Рекомендация ФГУ «Кировская МИС»:

Изготовить опытную партию плющилок зерна двухступенчатых ПЗД-З.1, устранив выявленные недостатки, и представить на квалификационные испытания.

Директор Главный и Заведующий ¡ШЙ^ "4 '

Заведующий ведущей лабораторией

Ведущий инженер Представитель ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого, г. Киров

С.Ф.Коновалов И.Д.Лукин В.Г.Лимонов Н.И.Русских

И.А.Патрин И.Ю. Заболотских