«Полункин Андрей Алексеевич УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЫРЫХ КОРМОВ ИЗ ОТЖАТОЙ МЕЗГИ И СГУЩЕННОГО КУКУРУЗНОГО ЭКСТРАКТА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ«РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.А. КОСТЫЧЕВА»

На правах рукописи

Полункин Андрей Алексеевич

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ

ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЫРЫХ КОРМОВ ИЗ ОТЖАТОЙ МЕЗГИ И

СГУЩЕННОГО КУКУРУЗНОГО ЭКСТРАКТА

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Утолин В.В.

Рязань – Содержание Аннотация Введение Анализ способов и средств механизации приготовления кормов 1.

из побочных продуктов пищевых перерабатывающих производств. Анализ использования побочных продуктов пищевых 1. перерабатывающих промышленностей в качестве кормов сельскохозяйственным животным.

1.2 Анализ существующих способов приготовления кормов из побочных продуктов пищевых перерабатывающих производств. Анализ средств механизации используемых для приготовления 1. корма. 1.4 Анализ выполненных результатов исследований по проблеме смешивания кормов. 1.5 Цель работы и задачи исследования 2. Исследование физико-механических и теплофизических свойств сырого корма приготовленного из побочных продуктов крахмалопаточного производства. 2.1 Программа и методика исследований 2.2 Методики проведения лабораторных исследований. 2.2.1Методика определения угла естественного откоса сырого корма. 2.2.2. Методика определения объмной массы (насыпного веса) сырого корма.

2.2.3 Методика определения влияния влажности на динамический и и статистический коэффициент трения сырого корма по стали.

2.2.4 Определение теплофизических свойств сырого корма. 2.3 Результаты исследования физико – механических и свойств сырого корма Выводы 3.Теоретическое обоснование приготовления кормов сельскохозяйственным животным из побочных продуктов крахмалопаточного производства.

3.1.Технология приготовления сырого корма для сельскохозяйственных животных из побочных продуктов крахмалопаточного производства. 3.2. Конструктивно – технологическая схема смесителя. 3.3. Расчет производительности смесителя. 3.3.1. Математическая модель шнека. 3.3.2. Вывод уравнений относительного движения частиц по шнеку. 3.3.3. Вывод уравнений движения самого шнека. 3.3.4.Преобразование уравнений движения с использованием уравнений шнека. 3.3.5. Формулирование начальных условий. 3.3.6.Пересчет координат из вращающейся системы в неподвижную и обратно.

Расчет производительности подающего устройства 3.3.7. нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта.

Выводы. 4. Исследование процесса смешивания мезги и кукурузного экстракта в лабораторных условиях. 4.3.1 Методика определения зависимости производительности смесителя 4.3.2 Методика определения зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа смесителя от его частоты вращения и 4.3.3 Методика определения зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа 4.4 Результаты лабораторных исследований процесса смешивания отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с применением 4.4.1 Результаты исследования зависимости производительности 4.4.2 Результаты исследования зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа смесителя от его частоты вращения и 4.4.3 Результаты исследований многофакторного эксперимента 4.4.4. Сходимость результатов теоретических и лабораторных 5.1 Программа и методика производственных исследований 5.2 Результаты производственных испытаний разработанного смесителя. 5.3 Расчет показателей экономической эффективности разработанной технологии и смесителя для приготовления сырого корма. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности использования побочных продуктов крахмалопаточного производства путем смешивания отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с применением разработанного смесителя, что обеспечивает снижение экологического ущерба и приводит к улучшению качества готового корма.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народно-хозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан обзор и анализ способов, средств механизации и выполненных исследований по проблеме использования побочных продуктов пищевых производств, в качестве кормов сельскохозяйственным животным.

Обоснована необходимость в разработки технологии использования отжатой мезги сгущенного экстракта, с применением разработанного смесителя для приготовления кормов с/х животным и сокращения экологического ущерба за счет использования данных побочных продуктов в полном объеме.

Во втором разделе изложены программа и методика исследований, приведены методы определения динамического и статического коэффициента трения корма, угла его естественного откоса, объемной массы, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, тепломкости сырого корма.

Представленно описание используемых для проведения опытов приборов и измерительной аппаратуры.

В третьем разделе дано описание предлагаемого смесителя и технологи приготовления сырого корма. Представлено обоснование применения оптимального сочетания реагентов для нейтрализации кислотности сгущенного кукурузного экстракта и их количества В четвертом разделе изложены программа и методики исследований, приведено описание лабораторной установки, оборудования и приборов, представлены результаты исследований. Обработка полученных данных проводилась согласно приведенной методике программ «Mathematika 4.2» и «Statistica 6.0» с помощью ЭВМ В пятом разделе изложена программа, методика и расчт экономической эффективности разработанного смесителя и технологии приготовления сырого корма..

Сделаны выводы и даны рекомендации по внедрению разработанной технологии и смесителя. Представлены список используемой литературы и приложения.

Актуальность темы исследования. При переработке зерна кукурузы на крахмал в качестве побочных продуктов получают мезгу в отжатом виде и сгущенный кукурузный экстракт. Данные побочные продукты обладают высокими кормовыми показателями, так как богаты белками, углеводами и другими питательными элементами.

В настоящее время большая часть побочных продуктов крахмалопаточного производства, особенно, экстракта не используется, и сбрасывается в окружающую среду, создавая большую экологическую проблему.

крахмалопаточного производства на кормовые цели является значительные транспортные издержки, недостаточная однородность продукта при их смешивании и высокая кислотность.

Поэтому задача, направленная на повышение эффективности использования побочных продуктов крахмалопаточного производства путем приготовления из них качественных сырых кормов сельскохозяйственным животным в соответствии с зоотехническими требованиями при снижении энергетических затрат и экологического ущерба, являются актуальной.

Степень разработанности темы.

Анализ способов, технологий и технических средств для переработки побочных продуктов крахмалопаточного производства на корм сельско-хозяйственным животным, изложенные в работах В.А. Федяковой, М.В. Орешкиной, В.М.

Ульянова, А.П. Гилядова, А.П. Богданова, С.А. Трофимова, Н.А. Богданова, А.П.

Колпакчи, В.Н. Романенко, И.Ф. Филипповой и других авторов, показал, что, остается узким вопросом использование в полном объеме кукурузного экстракта.

Так ввод его в состав кормовой смеси приводит к значительному повышению е кислотности и не соответствии зоотехническим требованиям. При этом на практике отсутствует высокоэффективное оборудование для смешивания сгущенного кукурузного экстракта с отжатой мезгой.

Поэтому изыскание современных технологий переработки побочных продуктов крахмалопаточного производства в качественные корма сельскохозяйственным животным и разработка высокоэффективного смесителя требует дальнейших исследований и изучения.

Цель и задачи. Повышение эффективности приготовления из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта в разработанном смесителе сырых кормов за счет улучшения их качества, снижения энергетических и материальных затрат при сокращении вредного воздействия на окружающую среду.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1 – изучить физико-механические свойства сырого корма из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта;

2 – определить направление совершенствования технологии приготовления сырых кормов из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта;

3 – разработать конструктивно-технологическую схему смесителя сырого корма;

4 обосновать теоретически и экспериментально конструктивные и режимные параметры смесителя сырого корма;

5 – провести проверку разработанного смесителя в составе технологической линии приготовления сырых кормов в производственных условиях и определить экономическую эффективность результатов исследований, предложить рекомендации производству.

Научная новизна диссертационной работы:

обосновано в технологии получения сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства, таких как отжатая мезга и сгущенный кукурузный экстракт, введение в кормовую смесь последнего с предварительной нейтрализацией его кислотности оксидом кальция и гидроксидом натрия;

численные значения физико-механических и теплофизических свойств сырого корма;

конструктивно-технологическая схема смесителя;

теоретические положения по обоснованию технологии приготовления сырого корма и конструктивно-режимных показателей смесителя;

результаты экспериментальных исследований смесителя и технологии приготовления сырого корма.

Техническая новизна подтверждена патентами на изобретение РФ № «Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства» и № 2454273 «Комбикормовый агрегат».

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана технология приготовления сырого корма для сельскохозяйственных животных из побочных продуктов крахмалопаточного производства с предварительной нейтрализацией сгущенного кукурузного экстракта и теоретические положения для е обоснования. Данная технология решает проблему утилизации побочных продуктов крахмалопаточного производства. Разработан смеситель отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта и получены теоретические зависимости для расчета конструктивно-технологических параметров и режимов его работы, которые подтверждены лабораторными и производственными испытаниями.

Полученные результаты имеют большую практическую значимость для научных и проектных учреждений, сельскохозяйственных, пищевых и перерабатывающих предприятий.

Методология и методы исследования. При проведении теоретических исследований были использованы известные законы химии, теоретической механики и математики. При выполнении экспериментальных исследований использовали известные методики и разработанные на их основе – частные.

Качественные показатели получаемых кормов определяли по гостированным методикам. Для осуществления лабораторных и производственных испытаний использовались современные приборы и установки. Обработку данных в экспериментальных исследований осуществляли методом математической статистики с использованием ПЭВМ и современных компьютерных программ.

Положения, выносимые на защиту:

– показатели физико-механических и теплофизических свойств сырого корма;

– усовершенствованная технология приготовления сырого корма из отжатой мезги и кукурузного сгущенного экстракта и е теоретическое обоснование.

– конструктивно-технологическая схема смесителя сырого корма;

теоретические зависимости, обосновывающие параметры и режимы работы смесителя сырого корма результаты лабораторных исследований по обоснованию и оптимизации конструктивно-технологических параметров смесителя;

– результаты проверки разработанного смесителя и усовершенствованной технологии в производственных условиях.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, применений современных методик и средств обработки результатов экспериментов.

Усовершенствованная технология приготовления сырого корма из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с использованием разработанного смесителя внедрена в ОАО «Ибредькрахмалпатока» Шиловского района Рязанской области.

Корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства, приготовленные по разработанной технологии, реализовываются производителями животноводческой продукции Рязанской, Владимировской и Московской областей.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Рязанского ГАТУ (2008 – 2013 гг.), ФГБОУ ВПО Мордовский ГУ (2012 г.), ФГБОУ ВПО Орловского ГАУ (2012 г.) и опубликованы в 10 научных работах, в том числе 2 в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и 4 патентах РФ на изобретения.

1.1 Анализ использования побочных продуктов пищевых перерабатывающих промышленностей в качестве кормов сельскохозяйственных животных качественными кормами является максимальное использование побочных продуктов пищевых перерабатывающих производств.

сельскохозяйственных животных позволяет значительно сократить белковый дефицит при этом снизить себестоимость получаемой продукции.

Рассмотрим наиболее близкие по агрегатным, химическим и питательным свойствам побочные продукты пивоваренной, спиртовой и крахмалопаточной промышленности.

Основным побочным продуктом пивоваренного производства является пивная дробина. Доля образования пивной дробины составляет 32% от массы производимого пива [13, 43,]. Химический состав пивной дробины представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Химический состав пивной дробины Питательная ценность одного килограмма пивной дробины влажностью 82,9% составляет от 0,17 до 0,23 к.е., при этом содержание перевираемого обладает высокой усвояемостью.

реализуется близлежащим производителям животноводческой продукции и используется в рационах кормления сельскохозяйственных животных. Основным сохранности, из-за е высокой влажности, что это создат ряд проблем при е реализации. Поэтому в настоящее время ведтся поиск наиболее рациональных путей использования.

Основным побочным продуктом спиртовой промышленности является барда. Барда представляет собой сложную полидисперсную систему, сухие вещества которой находятся в виде взвесей и в растворнном состоянии. В зависимости от вида используемого сырья барда может быть зерновая или картофельная.

Состав барды (таблица1.2) зависят от вида используемого сырья при производстве спирта [1].

Таблица 1.2 Состав барды.

Картофельная Основная ценность барды заключается в протеине, содержание которого в сухом веществе составляет в среднем зерновой 26…28%, картофельной 18…19% [86]. Исходя из питательности и кормовой ценности предпочтительнее зерновая барда.

В связи с высокой влажностью барда относится к объмным водянистым малотраспортабельным кормам, это обуславливает специфику ее использования.

В настоящее время барда скармливается в натуральном виде, что это влечт за собой большие расходы на транспортировку.

При производстве крахмала получают следующие побочные продукты: в кукурузокрахмальном производстве – экстракт, кукурузная мезга, глютен, кукурузный зародыш. Глютен получают в сухом виде и его использование в кормах экономически не выгодно. Кукурузный зародыш используют для получения масла.

В процессе переработки картофеля на крахмал происходит разделение смеси мезги и сока центрофугированием на составляющие. После разделения картофельная мезга обезвоживается. Кормовая ценность одного килограмма абсолютно сухой картофельной мезги составляет 1,1 кормовой единицы. Состав мезги в % к массе сухих веществ представлен в таблице 1.3 [21 c. 217].

Таблица 1.3 – Состав картофельной мезги, % к массе сухих веществ Наименование Крахмал Клетчатка Растворимые Минеральные Сырой Прочие В свежем картофельном соке содержатся растворимые сахара фруктоза, глюкоза, сахароза. Кроме растворимых сахаров в картофельном соке содержатся яблочная, щавелевая и лимонная кислоты с преобладанием последней (до 0,5).

Следствием наличия органических кислот картофельного сока является величина рН картофельного сока, которая составляет 5,8…6,6.Состав картофельного сока в % к массе сухих веществ представлен в таблице 1.4 [21, c. 217].

Таблица 1.4 Состав картофельного сока в % к массе сухих веществ Наименование Крахмал Растворимые Минеральные Сырой Прочие Картофельный Отечественное картофелекрахмальное производство в настоящее время практически отсутствует, что связано с нестабильным положением в сельском хозяйстве и значительным сокращением производства картофеля.

При переработке кукурузы на крахмалопродукты основными побочными продуктами являются мезга и экстракт.

Кукурузную мезгу крупную и мелкую получают из оболочки и индоспермы зерна при его измельчении. Мезгу выделяют из кашки при помощи дуговых сит.

Кормовая ценность одного килограмма сухой мезги составляет 1,45 к.е.. Состав мезги представлен в таблице 1.5 [21, c. 220].

По химическому составу крупная и мелкая мезга значительно отличаются.

Около половины сухого вещества в крупной мезге составляет клетчатка, а в мелкой – крахмал. В настоящее время крупная и мелкая мезга выделяется совместно.

Таблица 1.5 - Состав мезги Наимено- Крахмал, Белок, Жир, Зола, Клетчатка, Растворимы Прочие крупная Мезга мелкая Кукурузный экстракт образуется в результате замачивания кукурузы в слабо-кислом растворе сернистой кислоты. Содержит 6…9% сухих веществ.

Основными сахарами кукурузного экстракта являются глюкоза, мальтоза и ксилоза. Максимальная доза сахаров приходится на глюкозу. Жидкий кукурузный экстракт сгущают до содержания 48% СВ на вакуумных выпарных установках.

Сгущенный кукурузный экстракт представляет собой густую непрозрачную жидкость с хлопьевидной взвесью способной к расслаиванию. Состав сгущенного кукурузного экстракта представлен в таблице 1.6 [21, c. 218].

Уровень кислотности сгущенного кукурузного экстракта составляет 4,2…4,4 рН, это обусловлено высоким содержанием фитиновой (7…8%) и молочной (20…25%) кислот, что существенно ограничивает его использование в качестве корма сельскохозяйственным животным [81.].

Таблица 1.6 Состав сгущенного кукурузного экстракта Наименование Крахмал, Белок, % Жир, % Зола, % Органические Углеводы, Прочие, Сгущенный экстракт перерабатывающих производств, следует отметить, что они обладают высокой кормовой ценностью. При этом они имеют ограниченное применение из-за низкого содержанием сухих веществ и несбалансированного состава.

Все выше перечисленные побочные продукты можно классифицировать по агрегатному состоянию на жидкие (барда, экстракт) и кашеобразные с жидкой консистенцией (пивная дробина, картофельная и кукурузная мезга).

Побочные продукты пивоваренной и спиртовой промышленности РФ практически полностью используются в качестве кормов сельскохозяйственным животным. Однако, следует отметить, что использование побочных продуктов пивоваренной и спиртовой промышленности в натуральном виде не является оптимальным, из-за больших затрат связанных с их транспортировкой.

Высокая влажность побочных продуктов создат ряд проблем связанных с их транспортировкой и использованием в качестве кормов сельскохозяйственным животным. Поэтому в последние время прослеживаются следующие направления перерабатывающих производств:

использование побочных продуктов в естественном виде близлежащими производителями животноводческой продукции;

использование побочных продуктов для производства кормовых дрожжей;

использование побочных продуктов для приготовления сухих кормов;

использование побочных продуктов для приготовления белкововитаминных добавок.

1.2 Анализ существующих способов приготовления кормов из побочных продуктов пищевых перерабатывающих производств Основным недостаткам рассмотренных побочных продуктов, при использовании их в качестве кормов сельскохозяйственным животным, является их высокая кислотность, которая существенно ограничивает объем потребления.

Поэтому отечественными и зарубежными учными ведутся поиски наиболее рациональных путей использования побочных продуктов в качестве кормов сельскохозяйственным животным.

Приготовление влажных кормов предусматривает минимальную обработку побочных продуктов, которая заключается в снижении влажности. В зависимости от вида побочных продуктов отделение воды осуществляют центрифугированием, прессованием или сгущением. После обезвоживания побочные продукты смешиваются.

В США разработан способ получения концентрированной или сухой барды (рисунок 1.1) заключающийся в смешивании 5…45% питательных добавок, включая мелассу и мочевину, 20…45% концентрированного фильтрата барды, с содержанием воды 50…70% и 20..25% сухой барды. При производстве сухой барды содержание влаги доводят до 15…30% [108].

Рисунок 1.1 Способ получения концентрированной или сухой барды Способ приготовления сухого корма из побочных продуктов спиртового производства, предложенный Федяковой В.А. [100] (рисунок 1.2) включает в себя: очистку зерна, биообработку ферментным препаратом, подсушку, шелушение зерна; смешивание полученных зерновых оболочек с выделенной при фильтрации спиртовой барды дробиной, сушку образованной смеси, смешивание сухого продукта с упаренным фильтратом, окончательную сушку и отпуск готовой продукции.

Рисунок 1.2 Схема производства сухого корма из спиртовой барды.

Универсальный способ переработки побочных продуктов пищевых перерабатывающих производств, предложен ЗАО Биокомплекс [87] (рисунок 1.3).

Способ переработки побочных продуктов заключается в следующем: сырьевые компоненты, содержащие сложные полисахариды – пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу.

Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые, с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.

1 – прием сыпучего и влажного сырья; 2 – прием жидкого сырья; 3 – бункеры-дозаторы; 4 – смеситель; 5 – био-реактор; 6 – компрессор; 7 – парогенератор; 8 – сушилка; 9 – измельчитель; 10 – отгрузка в мешки.

Рисунок 1.3 Технологическая схема микробиологической переработки побочных продуктов в корма Данный способ переработки побочных продуктов осуществляется следующим образом: побочные продукты загружаются в био-реактор, с момента загрузки сырья, в биореакторе процесс микробиологической биоконверсии протекает в течение 4-6 дней (в зависимости от желаемых зоотехнических параметров конечной продукции). В результате получается влажная кормовая добавка – углеводно-белковый концентрат (УБК). Затем ее сушат до влажности – 10 % и измельчают. После измельчения концентрат можно использовать как в рационах кормления сельскохозяйственных животных, так и при производстве комбикормов.

Побочным продуктам крахмалопаточного производства и способам их использования для приготовления кормов, в отличии от барды, уделяется значительно меньше внимания.

Вопросами использования побочных продуктов, получаемых при переработке картофеля, занимались М.В. Орешкина [72] и В.М. Ульянов [99], которыми предложена технология приготовления кормов сельскохозяйственным животным из отходов картофелекрахмального производства и разработаны средства механизации для е осуществления.

Самым распространенным способом использования отжатой кукурузной мезги (влажностью 60…65%) является использование ее в качестве корма сельскохозяйственных животных [84, с. 150]. Этот способ неэффективен за счет того что, мезга содержит большое количество клетчатки, и скармливать е следует в смеси с другими необходимыми для животных кормами, богатыми белками, жирами и углеводами. Существующий дефицит в отжатой мезге возможно снизить путм смешивания е с сгущенным кукурузным экстрактом.

Использование отжатой кукурузной мезги, жмыха пелевы и сгущенного кукурузного экстракта предусматривает способ, представленный на рисунке 1.4.

Побочные продукты, с основного производства, отжатая мезга, жмых, пелева, и сгущенный кукурузный экстракт с исходной влажностью и кислотностью подаются в смеситель, в котором происходит смешивание. Затем приготовленный сырой корм направляется в бункер временного хранения, из которого происходит загрузка транспортных средств потребителей [84, с. 149–152].

Существенным недостатком сырого кукурузного корма приготовленного по данной технологии является его высокая кислотность (рН 4,0..4,4), это следствие высокого содержания молочной и фитиновой кислот в сгущенном экстракте.

Известен способ использование побочных продуктов крахмалопаточного производства с частичной нейтрализацией кислотности сгущенного кукурузного экстракта [46, с. 13–15], представленный на рисунке 1.5. Для нейтрализации кислотности сгущенного экстракта используют реагенты: мел, аммиак, оксид кальция, гидроксид кальция, гидроксид натрия и другие сильные щелочи [114].

Рисунок 1.4 Технологическая схема приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства.

Данный способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства с частичной нейтрализацией кислотности сгущенного кукурузного экстракта не позволяет приготавливать корма соответствующие зоотехническим требованиям.

Способ позволяющий приготавливать белково-крахмальный корм из побочных продуктов крахмалопаточного производства для сельскохозяйственных животных, предложенный П.Г.Гилядовым, А.Н.Богдановым, С.А.Трофимовым и Н.А.Беляевым [72]. Жидкий кукурузный экстракт и глютеносодержащий отход, с основного производства смешиваются, после этого определяется кислотность Рисунок 1.5 Технологическая схема приготовления сырого кукурузного корма с предварительной нейтрализацией экстракта полученного продукта. В зависимости от результатов показателей кислотности в полученнуюсмесь добавляют кислотный или щелочной раствор до достяжения показателя рН 6,0…6,5. Таким образом получают кормовую смесь соответствующую зоотехническим нормам. В дальнейшем полученную смесь отстаивают, сгущают и сушат, с использованием распылительных сушилок, до влажности 10…13%.

Данный белково-крахмальный корм обладает высокой питательной ценностью, хорошо усваивается животными и удобен в хранении и транспортировки.

Однако осуществление данного способа весьма проблематично, это связано с тем, что глютеносодержащий отход перерабатывается в настоящее время на основном производстве, в результате чего получают сухой глютен, применяемый для приготовления продуктов питания и кормов домашним животным. Кроме того реализация способа приготовления белково-крахмального корма потребует больших затрат на оборудование и энергоносители в результате это отразится на себестоимости конечного продукта.

Способ позволяющий приготавливать сырые корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства разработанный Г.А. Подобуевым, В.В.

Утолиным, М.А. Коньковым [75] представлен на рисунке 1.6. Данный способ приготовления сырого корма заключается в смешивании основных побочных продуктов крахмалопаточного производства, отжатой мезги и сгущенного экстракта, с предварительной нейтрализацией его кислотности двумя реагентами, гидроксидом кальция и гидроксидом натрия, в соотношении 2,83:1,00.

Из побочных продуктов крахмалопаточного корма можно приготавливать сухие корма. Н.Р. Андреевым [6] предложена технология приготовления для производства сухих кукурузных кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства: сгущенного экстракта, глютена, мезги и зародыша. При этом автор отмечает, что возможно приготавливать сухие кукурузные корм двух видов, с использованием сгущенного кукурузного экстракта и без него.

1- реактор, 2- дозатор водного раствора гидроксида кальция, 3- усройство для приготовления водного раствора гидроксида кальция, 4-бункер накопитель гидроксида натрия, 5- дозатор гидроксида натрия, 6- смеситель, 7- насос-дозатор сгущенного кукурузного экстракта, 8 – бункер-дозатор отжатой мезги, 9- бункернакопитель готового корма.

Рисунок 1.6 Технологическая схема приготовления сырого корма из отжатой кукурузной мезги и сгущенного кукурузного экстракта с предварительной нейтрализацией его кислотности.

Технология приготовления сухих кукурузных кормов, представленная авторами В.Н. Романенко и Н.И. Филиповой [84, с. 149– 151], представлена на рисунке 1.7. Обезвоженную мезгу, сгущенный экстракт, глютен подают с помощью соответствующих транспортирующих средств, в шнек – смеситель, а затем в смеситель питатель сушилки. В данной технологии в смеситель так же подают измельченный жмых, пелеву и зерновые отходы. После смешивания влажность их должна быть не более 65%. За счет рециркуляции части высушенного корма влажность сырого корма снижается до 50% и его подают в сушилку. При высушивании корма в пневматических сушилках одновременно происходит его измельчение. После этого корм направляется на просеивание.

(W=64...65%) Рисунок 1.7 Технологическая схема приготовления сухого корма с использованием одноступенчатой сушки Анализ существующих способов использования побочных продуктов показал, что из побочных продуктов пивоваренного, спиртового и крахмалопаточного производств, вполне возможно приготавливать сырые и сухие корма, а также кормовые дрожжи и белково-витаминные добавки.

Производство сухих кормов, кормовых дрожжей и белково-витаминных добавок требуют сложного дорогостоящего оборудования, при их производстве затрачивается большое количество энергии, в результате это приводит к высокой себестоимости производимых кормов.

Так же следует отметить, что производство сухих кормов из побочных продуктов пивоваренных и спиртовых производств наиболее целесообразно, так как использование во влажном виде значительно ограничивает их область применения из-за высокого содержания спирта.

Из побочных продуктов крахмалопаточного производства, возможно приготавливать сырые корма, наиболее сбалансированные за счт смешивания мезги, с высоким содержанием клетчатки и сгущенного экстракта богатым белками, жирами и углеводами.

В настоящее время, из-за сложившейся экономической ситуации в сельском хозяйстве, востребованы сырые корма, так как они имеют низкую стоимость.

Поэтому способ приготовления сырого корма, предложенный Г.А. Подобуевым, В.В. Утолиным, М.А. Коньковым [74], который заключается в смешивании отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с предварительной нейтрализацией его кислотности является наиболее оптимальным. При этом следует отметить, что при его реализации, необходимо, перед нейтрализацией кислотности, нагревать сгущенный кукурузный экстракт с целью снижения его вязкости.

Приготовление кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства это сложный технологический процесс. Для осуществления это технологического процесса на кукурузоперерабатывающих предприятиях требуется применение большого комплекса различных машин, бункеры – накопители, дозаторы, транспортры, нейтрализаторы, смесители.

В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускается ряд машин, которые могут использоваться в технологической линии приготовления сырых кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства.

осуществлять смешивание различных по агрегатному состоянию компонентов.

Стационарный измельчитель-смеситель ИСК – 3,0 предназначен для приготовления полнорационных рассыпных кормосмесей в кормоцехах ферм и комплексов крупного рогатого скота и овцеферм [19, с. 133–134].

Измельчитель-смеситель ИСК 3 состоит из рабочей камеры 3 (рисунок.1.8), приемной камеры 2, форсунки 10, ротора с ножами 4, противорежущий дек 11, электродвигателя 6, клиноременной передачи 7, рамы 1, и выгрузной горловины 15. На раме 1 установлена выгрузная камера 5, соединенная с рабочей камерой фланцем.

1рама; 2примная камера; 3рабочая камера; 4ротор; 5выгрузная камера; 6электродвигатель; 7приводные ремни; 8натяжной болт;

9платформа; 10форсунка; 11кожух противореза; 12стопор;

13блокировочное устройство; 14шибер; 15выгрузная горловина; 16опора.

Рисунок 1.8 Измельчитель-смеситель кормов ИСК-3.

На рабочей камере установлена дополнительная быстросъемная камера с устройством для внесения жидких добавок. В это устройство входят вентиль со шкалой и форсунка. В боковых полостях рабочей камеры расположены закрытые с наружной стороны кожухами деки двух типов: сплошные с рифленой поверхностью (устанавливаются при смешивании кормов) и с противорезами (устанавливаются при измельчении грубых кормов).

К днищу выгрузной камеры крепится корпус подшипников, в которых вращается вертикально расположенный вал ротора 4. Привод ротора смонтирован на неподвижной платформе 9, закрепленной на раме 1. Технологический процесс работы ИСК-3 заключается в следующем. В режиме смешивания в приемную камеру подаются предварительно подготовленные кормовые компоненты загрузочным транспортером. Обычно в качестве такого транспортера служит сборный транспортер кормоцеха. Отсюда под действием создаваемого швырялкой всасывающего эффекта кормовые материалы подаются в рабочую камеру и распределяются вдоль стенок камеры. Здесь корм доизмельчается ножами верхнего яруса ротора, смешивается и по спирали опускается вниз, попадая под действие ножей и противорезов нижних ярусов. В смешивании активно участвуют деки, которые притормаживают частицы корма. Готовая кормосмесь швырялкой подается наружу через выгрузную горловину. Исходные компоненты смешиваются при их любой влажности.

Основным недостатком смесителя ИСК – 3 является высокая энергомкость и отсутствие возможности получения однородных кормосмесей при использовани вязких компонентов кормов.

Смеситель СКО-Ф-3-1 (рисунок1.9) предназначен для приготовления кормосмесей влажностью 60…80 % из сочных, грубых и концентрированных кормов [68, c.325].

Смеситель работает следующим образом: в машину заливают воду, затем в соответствии с заданным рационом загружают, компоненты после заполнения смесителя на 30 % включают, мешалку. За счет вращения мешалок происходит перемешивание [50].

При запаривании компонентов в смеситель заливают 60…70 % общего расчетного количества воды, определяющего влажность смеси, и включают пар.

Воду нагревают до 90С, затем в нее загружают компоненты и запаривают в течении 1…3 ч. Для ускорения процесса включают мешалку смесителя. После этого добавляют компоненты, не подлежащие тепловой обработке, и воду.

Перемешивают их и приготовленную смесь выгружают, открыв задвижку и включив выгрузной шнек.

Для получения кормосмеси заданной влажности в смеситель заливают определенное количество воды. Измельченные компоненты корма в соответствии с рационом загружают одновременно из кормоприготовительных машин через загрузочный люк смесителя.

1корпус; 2крышка; 3мешалка; 4загрузочная горловина; 5шиберная заслонка; 6смотровой люк; 7привод выгрузного шибера;8выгрузной шибер;

9выгрузной шнек; 10привод выгрузного шнека;11парораспределитель;

12электродвигатель; 13редуктор; 14пулът управления; 15оросителъ.

Рисунок 1.9 Смеситель кормов СКО-Ф-3- Заполнив емкость смесителя на 30 %, включают в работу мешалки.

Остальную часть корма загружают при работающих мешалках. Для кормовых смесей, в которые входят солома и силос, коэффициент заполнения смесителя составляет 0,6, для других смесей 0,8.

При смешивании массы лопасти одной мешалки начинают перемещать корм в одну сторону, а лопасти другой в противоположную сторону, т. е.

создаются два встречных потока. Смешивание корма длится 10... 15 мин.

При запаривании картофеля и концентратов в смеситель сначала заливают 60... 70 % воды от общего расчетного количества. Включают подачу пара и нагревают, воду до 90 °С. В нагретую воду загружают, все компоненты, которые должны быть запарены. Во время запаривания мешалки запаривается.

Недостатком смесителя кормов СКО-Ф-3-1 является то, что жидкие кормовые компоненты, вводимые оросителем, распределяются неравномерно по всему объму смешивания, что негативно отражается на качестве и времени смешивания. Кром того данный смеситель не может использоваться в непрерывных линиях по приготовлению кормов, так как его принцип работы предусматривает периодическую загрузку и выгрузку.

предназначен для высококачественного смешивания сухих сыпучих зернистых и порошковых материалов, с возможностью добавления жидкостей Используются при производстве гранулированных комбикормов и пищевых продуктов [42, с. 318].

цилиндрической емкости, которая крепится на раме. Вдоль продольной оси оборудованными лопастями 3. Ротор смесителя приводится в движение электроприводом 4. Смеситель имеет две горловины для загрузки и выгрузки 5,6. Загрузочная горловина расположена сверху на корпусе смесителя и оснащена затвором.

Смешиваемые компоненты непрерывно, с определенной интенсивностью поступают внутрь корпуса смесителя, через отверстие загрузочной горловины.

Лопасти, непрерывно вращаясь под оптимальным углом по отношению к центральному валу внутри горизонтальной цилиндрической камеры, обеспечивают продвижение смешиваемого материала от загрузки до выгрузки.

Максимальное качество смешивания и однородность достигаются, до выгрузки смеси из смесителя. Далее готовая смесь выгружается и поступает на следующую стадию технологического процесса.

Рисунок 1.10 На корпусе цилиндрической емкости смесителя имеется смотровой люк, предназначенный для технического обслуживания и очистки его внутренних рабочих частей. Смотровой люк устанавливается на поворотных петлях с ручной системой плотного запирания.

Для смешивания побочных продуктов крахмалопаточного производства отжатой мезги и сгущенного экстракта наиболее оптимальным является применение смесительной установки Б6-ДАК, схема которой представлена на рисунке 1.11 [33]. Е основное назначение смешивание рассыпных комбикормов с мелассой. Корпус изготовлен из листовой стали толщиной 4 мм. Внутри корпуса размещены шнековый питатель 14 и мешалка, состоящая из вала 6 и лопастей 5.

Снаружи корпуса в верхней части сделано загрузочное устройство 19 и люк с крышками, предназначенный для осмотра и очистки питателя. Сбоку корпуса расположены люки с крышками 20 для доступа к мешалке, с этой же стороны установлена форсунка 15 для разбрызгивания мелассы внутри корпуса. В торцовой части корпуса внизу расположен, разгрузочный патрубок для выгрузки мелассированного комбикорма из смесителя.

Шнековый питатель 14, предназначенный для равномерной подачи рассыпных комбикормов в смеситель, расположен в корыте 13, закрепленном внутри корпуса. Он представляет собой вал 50 мм, на котором набраны витки.

Вал установлен в двух сферических подшипниках. На конце вала со стороны загрузочного устройства закреплены тахометр 16 и звездочка 17, соединенная цепной передачей с вариатором. С противоположной стороны на валу шнека свободно посажена звездочка 22, связанная цепной передачей с насосомдозатором, на валу которого также надета звездочка. Она соединяется с валом питателя через зубчатую муфту, позволяющую включать и выключать насосдозатор при работающем питателе.

Мешалка, предназначенная для смешивания рассыпных комбикормов с мелассой, представляет собой вал с 25 радиальными лопастями 5, размещенными в корпусе смесителя под корытом 13 шнекового питателя 14. Вал 6 — квадратного сечения размером 65X65 мм, длина 1354 мм. Лопасти, выполненные из углового профиля размером 50x25x5 мм и длиной 182 мм, приварены к граням вала по винтовой линии. Вал установлен в подшипниках. На нем со стороны, противоположной разгрузочному патрубку 4, закреплена звездочка 17 с числом зубьев 28 и шагом 25,4 мм, связанная цепной передачей с редуктором привода мешалки. Мешалка приводится в движение от электродвигателя 8 через редуктор.

Смеситель укомплектован гидровариатором, представляющим собой бесступенчатый механизм в блоке с шестеренчатым редуктором, который позволяет изменять частоту вращения вала питателя от 0 до 77,5 в минуту.

Рисунок 1.11 Смеситель установки Б6-ДАК Анализируя выше представленные средства механизации, следует отметить, что для смешивания побочных продуктов крахмалопаточного производства отжатой мезги и сгущенного экстракта оптимальным решением является использование лопатных смесителей. Это обеспечит высокое качество смешивания при минимальных энергозатратах. Общим недостатком существующих смесителей является то, что ввод жидкого компонента осуществляется не равномерно по всему объму смешивающей камера, это приводит к снижению однородности получаемой кормосмеси. Кроме того для осуществления дозированной подачи жидкого компонента необходимо специальное устройство.

1.4 Анализ выполненных результатов исследований Одним из сложных и не до конца изученных процессов является смешивание кормов. Вопросам приготовления кормов посвящены исследования многих ученых, в том числе Г.М.Кукта [50, 52, 53,54,], Ф.Г. Стукалкин [92], А.В.

Байдов [9], С.В. Мельников [65], П.В. Рощин [85], И.А. Боровиков [14], А.А Власов [17], В.В. Гунько [28], В.А. Евстратов [31], А.И. Завражнов [34, 35,36], В.Г Коба [42], В.К. Курбанов [57], В.К. Мартынов [64], Ф.К. Новобранцев [71], О.Б. Пошевкин [82], С.Н. Маланичев [62], В.М. Сыроватка [93], С.К. Филатов [101], В.П. Дегтярев А.М.Григорьев [26] и другие.

Смешиванием называется процесс соединения объмов различных веществ с целью получения однородной смеси, т.е. создания равномерного распределения частиц каждого компонента во всм объме смеси путм регулировки их под действием внешних сил [11, с. 36].

В своей работе В.В. Коновалов [44] предлагает для оценки качества смешивания принимать любую смесь за двух компонентную. Для этого выделяют из имеющейся смеси один компонент и принимают контрольным. При этом остальные составляющие смеси принимают как второй компонент.

Качественный показатель процесса смешивания определяют по степени однородности полученной смеси. Показатель однородности смеси представляет собой массовое отношение контрольного компонента в исследуемой пробе кего же содержанию в идеальной смеси.

Для расчета однородности смеси известно выражение [14, с. 38].

где нормированная функция Лапласа;

- величина отклонения замера от среднего значения ;

s – среднеквадратичное отклонение;

и - заданные пределы контрольного компонента.

А.И. Завражнов, Д.И. Николаев [35, с. 307 – 311] предлагают степень однородности смеси, %, определять по выражению (1.2).

где – теоретическое среднеквадратичное отклонение;

S–опытное, среднеквадратическое отклонение:

где – содержание контрольного компонента в i-ой пробе;

заданное расчетом содержание контрольного компонента.

где – среднеарифметическое значение контрольного компонента во всех пробах;

m – общее число проб.

С.В. Мельников [65, с. 259] предлагает определять степень однородности смеси, %, по формуле полученной А.А. Лапшиным.

где – степень однородности;

n – количуство проб;

Bt – доля меньшего компонента смеси в пробе;

Bo – доля меньшего компонента в смеси.

определяется зависимостью где – перегрузка (показатель кинематического режима процесса смешения);

осительная дисперсность системы;

h/d – величина,аналогичная коэффициенту наполнения.

Оценка качества смешивания, предложенная F.N Valentin [110] заключается в определении среднеквадратичного отклонения содержании компонента при конечном состоянии где: – среднее квадратичное отклонение содержания компонента при конечном С.К. Филатов [103, с. 9] при исследовании работы разработанного раздатчика смесителя с горизонтальным шнековым рабочим органом предложил качество приготавливаемой смеси оценивать показателем неравномерности смешивания Vc, где сi(t) – текущая концентрация контрольного компонента в i-ой пробе, шт/м3;

- средняя концентрация контрольного компонента по зонам, шт/м 3;

– количество зон идеального смешивания и идеального вытеснения.

Анализ результатов научных исследований качества приготовления кормосмесей, указывает на то, что в настоящее время не существует универсального метода оценки однородности смесей. Существующие методы определения качества смеси предусматривают исследование сухого материала, кроме того необходимо выделять из смешанной массы контрольный компонент для дальнейшего аналитического расчета показателя.

Обоснованию конструктивно-технологических параметров и режимов работы смесителей кормов, а также их использования посвящены работы:

А.М.Григорьева [26], Евдокименко И.К. [32], В.В. Коновалова [44], Л.П.

Кормановского [47, 48], И.В. Горюшинский [24], Ю. И. Макарова [59], С.И.

Воронцова [20], С.Н. Маланичева [62, 63], М.С. Рунчева [83], А.Д. Селезнева [88] и многих других ученых.

При обосновании конструктивных параметров шнекового лопастного смесителя С.И. Воронцов [20, с. 7 – 11] предлагает использовать выражения (1.9, 1.10, 1.11).

Максимальная скорость вращения шнека где R – радиус шнека, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

f – коэффициент трения в слоях перемешиваемого корма;

a – угол подъема винтовой линии шнека, град;

– угол подъема частиц, град.

Производительность Q, кг/с, шнекового смесителя периодического действия где D – наружный диаметр шнека, мм;

d – диаметр вала шнека,мм;

– коэффициент производительности.

Наружный диаметр шнека смесителя D, мм Р.К. Курбанов предложил для определения частоты вращения nш, с-1 рабочего органа лопастного смесителя выражение (1.12) где g – ускорение свободного падения, м/с2;

– угол между векторами сил, град;

r – расстояние от оси вращения шнека до места расположения частиц корма, f – коэффициент трения частиц корма о поверхность шнека;

- коэффициент скорости перемещения массы вдоль оси шнека;

– наружний диаметр шнека, м;

- диаметр вала шнека,м.

Большое внимание расчту смесителей разнообразных конструкций уделено в работах В.В. Коновалова [44].

Методика расчета ленточных смесителей.

При расчете ленточного смесителя (рисунок 1.12) определяются основные технологические, кинематические и силовые параметры. Данные смесители широко применяются при приготовлении комбикормов, а также влажных мешанок [44, с. 72–75].

Объем бункера V, где М – масса корма в бункере, кг;

– коэффициент заполнения емкости, непрерывного принципа действия периодического – 0.6…0.7. ·0.6;

p- средняя плотность вороха компонентов смеси, p·450 кг/.

Рисунок 1.12 – Схема ленточного смесителя Диаметр смесителя Db, м где s – соотношение диаметра емкости с ее высотой при цилиндрической форме Диаметр смешивающего рабочего органа D, м где s1 – соотношение диаметра емкостью и рабочим органом;

где s2 – соотношение диаметра и шага навивки ленты.

Диаметр вала рабочего органа d0, м где s3 – соотношение вала и наружного диаметра шнека, 0.05..0.1. s3·0.08.

Внутренний диаметр рабочего органа d, м:

где h1 – ширина ленты;

Средний радиус ленточного шнека rc, м где – средняя окружная скорость материала в ленточном шнеке, м/с.

Угловая скорость рабочего органа, м/с:

Средний угол развертки винта c, рад:

где f – коэффициент трения смеси по шнеку.

(c 0 – время, прошедшее с момента начала движения ( t 0 ).

В силу конструкции шнек может перемещаться вдоль оси OZ1 ; обозначим через t смещение шнека в процессе движения за счет деформации мембраны (считаем, что > 0, если смещение проходит по направлению оси OZ Рисунок 3.6 – Схема относительного движения частицы по шнеку Тогда скорость перемещения шнека:

а соответствующее ускорение:

Принимаем, что шнек вращается с угловой скоростью по часовой стрелке, если смотреть со стороны оси OZ1 т.е. в направлении, противоположном этой оси) так что за время t он поворачивается на угол t t.

Уравнение относительного движения частицы массы т по шнеку получим, конкретизируя второй закон Ньютона.

Применительно к данному случаю.

А именно, согласно ускорения.

где a2 – ускорение относительного движения;

ae – ускорение переносного движения, где Fтр – сила трения;

N – сила нормального движения;

С учетом этого уравнения относительного движения частицы по шнеку принимает вид:

Свяжем со шнеком подвижную систему координат ОX,Y, Z с ортами i, j, k (рис. 3.6).

Тогда радиус – вектор частицы в момент времени t.

следовательно, относительная скорость, а относительное ускорение.

Далее, радиус – вектор угловой скорости 0;0;, кориолисово ускорение.

Ускорение переносного движения частицы.

Вычислим вначале первое слагаемое правой части непосредственно.

Для проверки вычислим двойное векторное произведение r по – другому с помощью формулы.

самое значение.

Тем самым вектор ускорения переносного движения.

Сила тяжести:

Сила нормального давления:

винтовой поверхности шнека, направленная в сторону возрастания z (т.е. z > 0).

Рисунок 3.7 – схема сил действующих на частицу Сила трения:

где – коэффициент трения;

2 x; y; z – относительная скорость частицы (скорость движения частицы Тем самым векторные уравнения относительно движения частиц по шнеку (3.23) в развернутом виде записываются так:

или в координатной форме:

К уравнениям относительного движения частицы по шнеку необходимо добавить уравнение движения самого шнека.

Согласно принципу Даломбера, вдоль оси Z P – сила тяжести груза, прикрепленного к оси шнека;

Fуп – сила упругости мембраны, Fтр.z – сила трения оси шнека о направляющие, Fин.z – сила инерции системы «шнек плюс частица»

В начальный момент времени Fтр.z 0 и Fин.z 0, а груз оттягивает мембрану на некоторое расстояние 0 (рис. 3.8) и согласно закону Гука.

Рисунок 3.8 – Схема мембраны где c – коэффициент упругости мембраны.

Следовательно, из (3.28) получаем:

В процессе движения где ш – коэффициент трения оси шнека о направляющие, а тш – масса шнека;

Подставляя (2)–(6) в (1), получаем:

Это и есть недостающее готовое уравнение, которое надо добавить к системе (3.25), (3.26), (3.27).

3.3.4 Преобразование уравнений движения с использованием уравнений Уравнение движения шнека вместе с выведенным в разделе 3.3. уравнениями относительного движения частицы по шнеку (3.24), (3.25) и (3.26) составляет систему из четырех уравнений относительно 5 неизвестных.

Относительных координат частицы X, Y, Z смещения шнека и величины силы нормального давления N. Что бы изменить эту систему, надо конкретизировать вид шнека, добавив к ним уравнение его поверхности (3.3).

Тем самым произойдет переход от трех зависимых перемещенных X, Y, Z к двум независимым u и число новых неизвестных переменных уменьшиться до четырех и совпадает числом уравнений.

Получается u u t и t пользуясь (3.38), пересчитаем производные от Отсюда квадрат длины вектора относительной скорости Следовательно, длина вектора относительной скорости.

Далее, компоненты вектора единичной нормой. (3.16), (3.17), (3.18) С учетом выше сказанного перепишем уравнения (3.25), (3.36), (3.27) и (3.34) Уравнение (3.27) принимает вид:

Уравнение (3.29) принимает вид:

Уравнение (3.30) принимает вид:

Уравнение (3.34) принимает вид Вначале преобразуем первую пару уравнений (3.43), (3.44) к более простому, но эквивалентному виду. Для этого вначале умножим уравнение (3.48) Умножим уравнение (3.45) на и сложим. Получим:

или, после преобразований, Далее, умножим уравнение (3.44) на sin.

Умножим уравнение (3.47) на и сложим. Получим:

или, после преобразований, Уравнение (3.48) поделим на m :

И подставим в (3.50) и (3.51).

При этом уравнение (3.51) принимает вид:

Или, после умножения на знаменатель Уравнение (3.52) принимает вид:

Или, после умножения на знаменатель И окончательно Наконец, уравнение (3.48) запишем так:

Возникшую систему (3.50), (3.51), (3.52) можно привести к нормальной форме, разрешить относительно старших производных u,,.

Для того, что бы однозначно найти решение этой системы, необходимо задать начальные условия.

Естественными начальными условиями для исходной задачи являются следующее:

(частица начинает движение у произвольного положения на шнеке), (частица начинает движение с нулевой скоростью) 0 0, причем без ограничения общиной можно считать 0 0, это достигается выбором точки начала отсчета на оси OZ.

и 0 0 (шнек начинает движение с нулевой скорости) Так как частица находится на шнеке, то величины х0, у0, z0 не могут быть произвольными, а связаны между собой посредством уравнения шнека (3.37) Из первых двух уравнений находим:

Из третьего уравнения 0 0.

Таким образом, если считать, что в начальный момент времени частица расположена на шнеке, то ее координаты х0, у0, z0 должны удовлетворять соотношению (3.53) при этом:

Начальное значение для производных u 0 и 0 получим с помощью формул (3.39), (3.41) и (3.44).

Согласно (3.37) Аналогично, так как согласно (3.44) Таким образом, возникла система:

Если u0 0, то cos0 sin0 0 – противоречие, следовательно:

Таким образом, если в начале движения частица находилась на шнеке, в точке с координатами х0, у0, z0 и имело нулевую скорость, а сам шнек так же был неподвижен, то, во-первых, величины х0, у0, z0, не могут быть произвольными, а должны удовлетворять соотношению х0 sin 0 y0 cos 0, а начальные условия для системы из трех дифференциальных уравнений второго порядка (3.50), (3.51), (3.52) имеет вид:

Возникшая система решается численно с помощью программы « Mathcad 14»

Так как масса частицы по сравнению с массой шнека мала, по уравнению (3.38) можно упростить, пологая что m При этом получено уравнение вынужденных гармонических колебаний с частотой и постоянной внешней силой ш g и допускает явное аналитическое решение:

Константы c1 и c2 найден, используя начальные условия.

Тем самым смещение шнека относительно оси OZ имеет вид:

как и должно быть в действительности.

При этом скорость перемещения шнека:

а ускорение где c - коэффициент упругости мембраны – связана с массой груза mг и нагнетательным движением шнека 0 зависимостью с0 mг g.

Свяжем частоту гармонических колебаний с количеством колебательных циклов в минуту.

Известно, что за 1 минуту происходит n циклов. Подставляя в формулу получаем:

Учет массы частицы (m 0) приводит к зависимости величины от частоты вращения шнека и к изменению ее в диапазоне от 60 до 140 тактов в минуту.

3.3.6 Пересчет координат из вращающейся системы в неподвижную и Рисунок 3.9 – Схема расположения точки М в подвижной и неподвижной системах координат подвижной системах координат, считая, что вторая повернута относительно первой на угол по часовой стрелке.

Подставляя в (3.66) в выражение для y1 из (3.65), получаем:

Эта формула вместе с (3.66) неподвижную.

3) Далее получаем:

4) Подставляя это значение x в (3.61), получаем:

Эта формула вместе с (3.64) x x1 cos y1 sin, задаст правило пересчета координат из неподвижной системы в подвижную.

Формулы (3.69), (3.70) можно переписать в матричном виде:

Формулы (3.62), (3.63) так же можно переписать в матричном виде:

При этом матрица из формулы (3.71) должна быть обратной к матрице из формулы (3.72) Действительно, Положение частицы относительно неподвижной системы координат в момент времени t задается формулами:

По доказанному выше, смещения частицы вдоль оси OZ относительно корпуса задается формулой (3.74) то есть:

Отсюда скорость перемещения частицы оси OZ Эта величина зависит от всех параметров задачи (массы шнека и его размеров, массы груза и т.п.), в том числе от частоты вращения шнека.

В практических приложениях вместо нее удобнее другая характеристика – число оборотов в минуту n.

Их можно связать между собой следующим образом:

Подставляя в формулу t 2 n t 1мин 60сек, получаем:

отсюда:

Решая систему (3.52), (3.53), (3.54) с установленными начальными условиями для получаем эмпирическую зависимость средней скорости v cр, м/с, перемещения массы, вдоль оси OZ относительно корпуса в виде:

Анализ полученного выражения (3.78) показывает, что средняя скорость перемещения массы в смесителе зависит от частоты вращения, и амплитуды колебаний шнека-смесителя, шага и радиуса шнековой навивки.

3.3.8 Расчет производительности подающего устройства нейтрализованного Подающее устройство нейтрализованного сгущенного экстракта (рис.3.11) работает как диафрагменный насос. Колебания мембраны осуществляются за счет воздействия на не усилий передаваемых от шнека смесителя.

Для упрощения расчета принимаем круглую эластичную мембрану плоской формы.

Объем сгущенного экстракта, вытесняем за один цикл, найдем как объем усеченного конуса за исключением объема занимаемый цапфой.

Известно, что объем усеченного конуса определяется из выражения (3.78):

где: - радиус камеры подающего устройства экстракта, м;

- высота усеченного конуса, м.

Объем занимаемый цапфой шнека смесителя равен объему цилиндра т.е.

Рисунок 3.11 – Схема подающего устройства сгущенного кукурузного экстракта В нашем случае, исходя из конструкции смесителя, высота усеченного конуса и цилиндра, образуемого полой цапфой, равна амплитуде колебания шнека-смесителя, то есть Подставим в выражение (3.80) выражение (3.82), получим Подставим в выражение (3.81) выражение (3.82), получим Подставим выражение (3.83) и (3.84) в выражение(3.79), получим Упростив выражение, получим нейтрализованного сгущенного экстракта подставим выражение (3.86) в выражение (3.3) Анализируя полученное выражение (3.87), следует, что производительность подающего устройства сгущенного экстракта, при заданных геометрических размерах прямопропорцианальна частоте вращения шнека-смесителя и его амплитуде колебаний.

1. Технология приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства должна включать нейтрализацию кислотности сгущенного кукурузного экстракта до рН=6,0…6,5 и смешивание его с отжатой мезгой.

2. Конструктивно-технологическая схема смесителя должна содержать корпус снабженный мембраной защемленной по периметру в зоне входной горловины с образованием камеры сгущенного экстракта и шнек-смеситель. В мембране установлена опора, а шнек-смеситель выполнен в виде винтового конвейера и лопастей, последовательно расположенных на общем валу. Вал и полости лопастей выполнены полыми, сообщены между собой и с камерой сгущенного экстракта. Шнек-смеситель установлен в опорах, мембраны и корпуса с возможностью совершать вращательные и возвратно-поступательные движения вдоль своей оси.

3. Теоретически доказано, что средняя скорость перемещения массы в смесителе зависит от геометрических параметров, частоты вращения, и амплитуды колебаний шнека-смесителя.

4. Теоретически установлено, что производительность подающего устройства сгущенного кукурузного экстракта зависит от геометрических размеров мембраны и прямопропорцианальна частоте вращения шнека-смесителя и его амплитуде колебаний.

экстракта в лабораторных условиях Приготовление кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства заключается в смешивании, в соотношении 6,4:1, отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта до рН 6,0…6.3 [74].

На процесс смешивания влияют конструктивно–технологические параметры смесителя и физико-механические свойства сырого корма. Поэтому аналитическое описание процесса смешивания и теоретическое обоснование технологических параметров смесителя представляет сложную задачу. В связи с этим возникает необходимость всестороннего экспериментального исследования процесса смешивания сырого корма и обоснования конструктивнотехнологических параметров.

Задачей лабораторных исследований является определение влияния приведенных выше факторов на процесс смешивания.

В соответствии с поставленной задачей программа исследований предусматривает:

- определение зависимости производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа;

- определение амплитуды перемещения рабочего органа от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства;

- определение зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстий смешивающих лопаток - определение влияния частоты рабочего органа, его амплитуды колебаний и диаметра отверстий смешивающих лопастей на показатель однородности смеси и удельные энергозатраты.

С целью выполнения программы исследований процесса приготовления сырого корма на кафедре «Механизация животноводства» Рязанского ГАТУ, на основании предложенной технологии была разработана и изготовлена модель смесителя мезги и кукурузного экстракта. Общий вид модели смесителя представлен на рисунке 4.1, 4.2.

Рисунок 4.1 – Общий вид модели смесителя Устройство модели смесителя отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта представлено на рисунках (рис. 4.1 и 4.2).

В корпусе 1, расположенного на раме 2, установлен рабочий орган 3, привод которого осуществляется от мотор-редуктора 4 через цепную передачу.

Загрузочная горловина смесителя снабжена бункером 6 для мезги. На торце корпуса смесителя 1, со загрузочной горловины установлено устройство 7 для осуществления подачи кукурузного экстракта, которое связано гибким шлангом с мкостью 9. В торце корпуса смесителя 1 со стороны выгрузного окна имеется возвратное устройство 5 рабочего органа.

Рисунок 4.2 – Общий вид модели смесителя (вид сверху, бункер мезги и емкость для экстракта сняты) Рабочий орган смесителя представленый на рисунке 4.3, имеет следующую конструкцию. На трубу 1 последовательно установлены шнековая навивка 2 и полые лопасти 3. На концах трубы 1 установлены цапфы ведущая 4 и ведомая 5, которая выполнена полой. Полости ведомой цапфы 4 и трубы 1 соединены между собой. Ведомая цапфа 5 имеет подшипниковую опору 6, закреплнную на мембране 7. Таким образом, рабочий орган смесителя осуществляет вращение относительно мембраны 7, при этом возвратно- поступательные движения они совершают совместно.

Рисунок 4.3 – Рабочий орган смесителя Смешивающие лопасти 1 рабочего органа, выполненные полыми (рис. 4.4), установлены на трубе по винтовой линии и состоят из трубки 2 и съемного жиклера 3. Жиклр крепится на трубке с помощью резьбового соединения. Для проведения лабораторных исследований было изготовлены несколько комплектов жиклров с отверстиями диаметром 2, 4 и 6мм (рис 4.5).

Рисунок 4.4 – Лопасти рабочего органа Рисунок 4.5 – Жиклеры смешивающих лопастей Устройство для подачи кукурузного экстракта представлено на рисунке 4.6.

Оно состоит из корпуса 1, крышки 2, мембраны 3 с подшипниковой опорой 4 и полой ведомой цапфы 5.

Рисунок 4.6 – Устройство для подачи кукурузного экстракта Возвратное устройство рабочего органа 11 (рис 4.2) смесителя представлено на рисунке 4.7. Оно было спроектировано, изготовлено и установлено на смеситель с целью, выявления оптимальной амплитуды колебания рабочего органа смесителя в осевом направлении. Возвратное устройство рабочего органа имеет кронштейн 1, который крепится на торцевую стенку смесителя при помощи четырх шпилек. На кронштейне 1 установлен ролик 2, через который проходит гибкий трос 3, одним концом соединен со стаканом 4, закрепляемым на ведущей цапфе, а другим по средствам блока 5 со стержнем для установки грузов 7.

Рисунок 4.7– Возвратное устройство рабочего органа смесителя Модель смесителя отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта работает следующим образом. Мезга загружается в бункер 6 (см. рис 4.1), далее через входное окно поступает в зону рабочего органа смесителя. Сгущенный экстракт из емкости 8 через гибкий шланг 9 податся в устройство для подачи экстракта 17 (рис 4.6). С помощью шнековой навивки рабочего органа 3, мезга перемещается в зону смешивания. При работе смесителя вращение рабочего органа осуществляется мотор-редуктором 4, через цепную передачу. Кроме вращательного движения рабочий орган смесителя совершает возвратно-поступательные движения относительно корпуса 1. На рабочий орган 3 действует сила обратная по направлению перемещению, при этом она достигает максимума в момент, когда конец винтовой навивки контактирует с мезгой толкая е в зону смешивания. В этом случае рабочий орган перемещается в крайнее левое положение. При перемещении в верхнее положение, свободное от мезги, конца винтовой навивки рабочий орган 3 за счет возвратного устройства 11 перемещается в крайнее правое положение.

Совершая возвратно-поступательные движения, рабочий орган смесителя воздействует на мембрану 3 (рис 4.6) устройства для подачи кукурузного экстракта, в результате чего она совершает колебания. При колебании, мембрана выталкивает сгущенный кукурузный экстракт через полую трубу рабочего органа и полости лопастей в зону смешивания. Таким образом, подача мезги и сгущенного кукурузного экстракта в зону смешивания осуществляется одновременно. Под воздействием вращающихся полых лопастей мезга и сгущенный кукурузный экстракт перемешиваются и направляются на выгрузку.

Преимуществом предлагаемого смесителя является то что, жидкий компонент – сгущенный кукурузный экстракт распределяется по всему объму смешивающей камеры. Кроме того интенсивность подачи мезги и сгущенного кукурузного экстракта взаимосвязаны.

Исследование процесса смешивания мезги и сгущенного кукурузного экстракта проводились на лабораторной установке (рис.4.7), которая состоит из модели смесителя 1, измерительного прибора (К – 50) 2, кондуктомера «АНИОН 7020» 3, весов (ВСП–0,5-1) 4, секундомера 5, пьезометра 6, преобразователя частоты вращения двигателя «DELTA VFDL – 3,0kW» 7.

Общий вид лабораторной установки для исследования процесса смешивания отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта представлен на рисунке 4.8.

1 модель смесителя, 2 измерительный прибор (К – 50), 3 – кондуктометр «АНИОН 7020», 4 весы (ВСП–0,5-1), 5 секундомер, пьезометра, 7 «DELTA VFDL – 3,0kW»

Рисунок 4.7 Функциональная схема лабораторной установки Рисунок 4.8 – Общий вид лабораторной установки 4.3.1 Методика определения зависимости производительности смесителя от Шнековые и лопастные смесители, используемые для приготовления кормов сельскохозяйственным животным, достаточно полно исследованы и существуют конкретные рекомендации по их конструированию [4, 36, 44, 56].

Разработанная модель смесителя имеет комбинированный рабочий орган. Он состоит из полого вала, на котором последовательно закреплены винтовая навивка и полые лопасти. Поэтому необходимо провести исследования, с целью выявления зависимости производительности, модели смесителя, от частоты вращения е рабочего органа.

Исследования проводили на лабораторной установке, представленной на рисунке 4.7. Исходя, из геометрических размеров модели смесителя обоснованных с учетом технологических требований во втором разделе для обеспечения номинальной производительности (Q) от 4,5 до 5,1т/ч или от 75,0 до 85,0 кг/мин частота вращения рабочего органа (n) должна быть от 80 до 120мин-1.

Для лабораторных исследований по определению зависимости производительности модели смесителя от частоты вращения рабочего вала был выбран диапазон е (n) изменения от 80 до 120мин-1 с интервалом 10 мин-1.

В качестве смешивающих компонентов использовали отжатую мезгу и нейтрализованный сгущенный кукурузный экстракт, получаемые в качестве побочных продуктов на кукурузоперерабатывающем производстве.

При проведении исследований частоту вращения рабочего органа смесителя изменяли с помощью частотного преобразователя DELTA VFDL – 3,0kW электродвигателя привода. Время смешивания определяли электрическим секундомером, а массу приготовленного корма на весах.

Предварительно была проведена тарировка частотного преобразователя DELTA VFDL – 3,0kW. Зависимость частоты вращения рабочего органа смесителя от частоты тока представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Зависимость частоты вращения рабочего органа смесителя от частоты тока Зная время смешивания и массу корма, производительность модели смесителя П, определяли по формуле где М – масса приготовленного корма, кг;

T – время смешивания, мин.

В начале исследований бункер 6 модели смесителя (рис. 4.1) заполняли отжатой мезгой (W= 60%), а емкость 8 – сгущенным экстрактом (W=65%).

необходимую частоту вращения рабочего органа модели смесителя. После этого включали модель смесителя, происходило смешивание отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта, при этом определяли время работы. После смешивания определяли массу приготовленного корма и рассчитывали производительность по формуле (4.1).

Опыты проводили с пятикратной повторностью.

4.3.2 Методика определения зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа смесителя от его частоты вращения и массы груза возвратного Для осуществления подачи сгущенного кукурузного экстракта в смешивающую камеру модели смесителя в его конструкции предусмотрено специальное устройство.

Устройство для подачи сгущенного кукурузного экстракта (см. рис. 4.5) представляет собой мембранный насос. Мембрана устройства для подачи сгущенного кукурузного насоса соединена с рабочим органом с помощью подшипниковой опоры. Колебание мембраны происходит за счет осевого возвратно-поступательного движения рабочего органа. На производительность устройства подачи сгущенного кукурузного экстракта влияют частота колебания мембраны и их амплитуда. Частота колебаний мембраны зависит от скорости вращения рабочего органа. Один оборот вращения рабочего органа соответствует одному колебанию мембраны. Значение амплитуды колебаний зависит от двух факторов частоты вращения рабочего органа и массы груза возвратного устройства (см. рис.4.6).

Необходимый диапазон изменения частоты вращения рабочего органа был определен в ходе исследований описанных в разделе 4.3.1, его значение находятся в пределе от 80 до 120 мин-1.

Масса груза была определена в ходе постановочных опытов. Для конкретных размеров модели смесителя и требуемой производительности 4,5…5.1 т/ч масса груза возвратного устройства составила 5…15 кг.

При проведении исследований с целью, определения максимальной амплитуды колебаний осевого перемещения рабочего органа смесителя, были приняты уровни и интервалы варьирования факторов следующие. Частота вращения рабочего органа от 80 до 120мин-1, масса груза возвратного устройства от 5 до 15кг с интервалами варьирования 10мин-1 и 5кг соответственно.

В начале исследований бункер 6 модели смесителя (рис. 4.1) заполняли отжатой мезгой (W= 60%), а емкость 9 – сгущенным экстрактом (W=65%).

необходимую частоту вращения рабочего органа модели смесителя. В возвратное устройство устанавливали груз определенной массы После этого включали модель смесителя, происходило смешивание отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта, при этом определяли амплитуду колебаний рабочего органа.

Рисунок 4.10 – Видеорегистрация амплитуды колебания мембраны подающего устройства кукурузного экстракта Для определения амплитуды колебаний рабочего органа использовали стержень возвратного устройства и закреплнную неподвижно линейку.

Перемещение стержня относительно линейки фиксировали на видео камеру (рис.

4.10). В дальнейшем обрабатывали полученные материалы путем просмотра в замедленном режиме.

Опыты проводили с пятикратной повторностью.

4.3.3 Методика определения зависимости производительности подающего устройства экстракта, от частоты вращения рабочего органа смесителя При переработки кукурузы на крахмал соотношение побочных продуктов, нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта и отжатой мезги, составляет 1/6,0…1/6,8 соответственно. При условии использования побочных продуктов в полном объме для приготовления кормов сельскохозяйственным животным необходимо, что бы подача отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта на смешивания осуществлялась в аналогичном соотношении.

Во втором разделе диссертационной работы представлено теоретическое обоснование технологических и теоретических параметров подающего устройства кукурузного экстракта. В результате было определено, что на производительность данного подающего устройство влияют три основных фактора, диаметр отверстия в смешивающих лопастях, амплитуда и частота колебаний мембраны. Величина амплитуды колебаний, по результатам лабораторных исследований, составила 50,0 …60,0мм. Из конструкции смесителя, очевидно, что частота колебаний мембраны зависит от частоты вращения рабочего органа. Одно колебание мембраны происходит за один оборот двигателя. Наиболее рациональным решением регулирования подачи экстракта является изменение диаметра отверстия смешивающих лопастей рабочего органа.

определению зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты колебаний его мембраны при различном диаметре отверстий смешивающих лопастей рабочего органа. Для изменения размера отверстий смешивающих лопастей были изготовлены сменные комплекты жиклеров с диаметрами отверстий 2, 4 и 6мм (см. рис. 4.5). Диапазон изменения диаметра отверстия жиклеров, лопастей рабочего органа, был определен теоретически (раздел 3).

В начале исследований устанавливали комплект жиклеров с определенным диаметром отверстий, бункер 6 модели смесителя (рис. 4.1) заполняли отжатой Предварительно был определен объем заливаемого в емкость 9 сгущенного кукурузного экстракта. Частотным преобразователем DELTA VFDL – 3,0kW устанавливали необходимую частоту вращения рабочего органа модели смесителя. В возвратное устройство устанавливали груз массой 10кг, с целью обеспечения максимальной амплитуды, мембраны подающего устройства экстракта. После этого включали модель смесителя, происходило смешивание отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта. Смешивание осуществляли до полного опорожнения емкости 9. При этом определяли время смешивания.

Затем определяя производительность подающего устройства.

Опыты проводили с пятикратной повторностью для каждого комплекта жиклеров смешивающих лопастей.

4.3.4 Планирование многофакторного эксперимента Для выявления оптимальных конструктивно-технологических параметров и режимов работы модели смесителя при смешивании сгущенного кукурузного экстракта и отжатой мезги был проведн трхфакторный эксперимент [66].

Конструктивно-технологические параметры, при которых реализуется, работоспособность модели смесителя зависят, в первую очередь от частоты вращения рабочего органа, амплитуды колебаний мембраны подающего устройства и диаметра отверстий лопастей, через которые происходит подача кукурузного экстракта в зону смешивания.

Следует отметить, что кроме вышеперечисленных факторов существуют и другие конструктивные параметры, такие как диаметры шнека и его внутренней трубы, шаг шнековой навивки, геометрические размеры лопастей и их размещение и другие. Влияние, которых достаточно глубоко изучены отечественными и зарубежными учеными и существуют конкретные рекомендации по определению и выбору конструктивных и технологических параметров при проектировании подобных машин Основным фактором влияющим, на качество смешивание и энергоемкость процесса, является частота вращения рабочего органа. Модель смесителя была спроектирована и изготовлена с учетом конкретных технологических условий, поэтому для обеспечения заданной производительности 4,5…5,1т/ч частота вращения рабочего органа должна находиться в пределах от 80 до 120мин -1.

Данный диапазон изменения частоты вращения рабочего органа был определен теоретически и подтвержден при проведении лабораторных исследований.

Принятый интервал варьирования – 20мин-1.

Фактор – амплитуда колебания, мембраны устройства подачи кукурузного экстракта модели смесителя, влияет на качество смешивания и удельный расход энергии. При проведении двухфакторного эксперимента по определению зависимости амплитуды колебания мембраны от частоты вращения рабочего органа и массы груза возвратного устройства, изложенного в разделе 4.2.2, было установлено следующее. Максимальное значение, амплитуды колебания мембраны устройства подачи сгущенного кукурузного экстракта, от 50 до 60мм достигается при массе груза 10кг в диапазоне частоты вращения рабочего органа от 80 до 120мин-1. Поэтому диапазон изменения амплитуды колебания мембраны, был принят от 50 до 60мм при этом интервал варьирования, составил 5мм.

С учетом конструктивных и технологических факторов был определен необходимый размер отверстия смешивающих лопастей, который составил от 2, до 6,0мм. Проведенные лабораторные исследования подтвердили теоретические расчеты. Поэтому диапазон изменения диаметра отверстий был принят от 2,0 до 6,0мм, с интервалом варьирования 2,0мм.

Затраты энергии измеряли прибором К-51, с учетов потребления мощности на холостом ходу. Полезную мощность Nпол, кВт/ч, определяли по формуле Для определения удельных затрат энергии Nуд, кВт/ч, использовали выражение где Q – производительность смесителя при заданных факторах, т/ч.

Степень однородности приготавливаемой смеси, определяли косвенным методом, путем измерения электрического сопротивления с помощью прибора кондуктометра «АНИОН 7020».

Рисунок 4.11 - Графическая зависимость электрического сопротивления сырого корма от содержания в нем нейтрализованного сгущенного экстракта Предварительно были приготовлены образцы с содержанием сгущенного кукурузного экстракта от 12 до 25%. Данные образцы корма приготавливали следующим образом. На лоток тонким слоем помещали отжатую мезгу и разбрызгивали на е поверхность нейтрализованный сгущенный экстракт, далее перемешивали массу в течение 20мин с трехкратной повторностью. В приготовленных образцах замеряли, кондуктометром «АНИОН 7020», электрическое сопротивление. В результате полученных показаний кондуктомера построили графическую зависимость электрического сопротивления сырого корма от содержания в нем нейтрализованного сгущенного экстракта (рис. 4.11).

При проведении исследований полученные значения электрического сопротивления образцов принимали за «эталон», то есть за 100% степень однородности. В дальнейших исследованиях при определении качества смеси определяли ее электрическое сопротивление и сравнивали с «эталоном».

В качестве функции, аппроксимирующей экспериментальные данные по изучению влияния перечисленных выше факторов на качество смешивания (степень однородности смеси) и определения удельной энергии достаточно применение полинома второго порядка следующего вида.

где y среднее значение отклика (критерий оптимизации);

b0, bi, bij, bii коэффициенты уравнения регрессии;

xi, x j независимые переменные (факторы);

k число независимых переменных.

однородности смеси и удельной энергии был использован трехуровневый план Бокса-Бенкина.

4.4 Результаты лабораторных исследований процесса смешивания отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с применением смесителя 4.4.1 Результаты исследования зависимости производительности смесителя от Исследования по определению зависимости производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа проводились на лабораторной установке, представленной на рисунке 4.7. Для исследования использовались побочные продукты крахмалопаточного производства ОАО «Ибредьбкрахмалпаторка», отжатая мезга (крупная+мелкая) и сгущенный экстракт, влажностью W = 60% и W = 65% соответственно. Полученные результаты исследований зависимости производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Результаты исследований зависимости производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа зависимость производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа представленная на рисунке 4.12.

Анализируя полученную графическую зависимость, производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа, следует отметить. С повышением производительность повышается с 3.0 до 4.2т/ч. При дальнейшем повышении частоты вращения рабочего органа от 120 до 140 мин-1 производительность повышается с 4,3 до 4,5т/ч. Замедление роста производительности, связано с уменьшением интенсивности подачи сгущенного экстракта. Это происходит из-за уменьшения амплитуды, осевого перемещения мембраны подающего устройства сгущенного экстракта.

Рисунок 4.12 – Графическая зависимость производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа.

4.4.2 Результаты исследования зависимости амплитуды осевого перемещения, рабочего органа смесителя, от его частоты вращения и массы Исследования по определению зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа, смесителя, от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства проводились на лабораторной установке, представленной на рисунке 4.8. Для исследования использовались побочные продукты крахмалопаточного производства ОАО «Ибредьбкрахмалпаторка», отжатая мезга (крупная+мелкая) и сгущенный экстракт, влажностью W = 60% и W = 65% соответственно. Показания изменения амплитуды рабочего органа смесителя фиксировали с помощью видеорегистратора см. (рис. 4.8) Полученные результаты исследований зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа, смесителя, от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства представлены в таблице 4.2.

По результатам полученных данных (таб. 4.2) были построены графические зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства, представленные на рисунке 4.13.

Анализируя построенные графические зависимости (рис. 4.13) амплитуды осевого перемещения, рабочего органа смесителя, от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства следует:

При увеличении частоты вращения рабочего органа с 60 до 100мин -1 его амплитуда осевого перемещения возрастает при массе груза возвратного устройства 5,0кг от 34 до 41мм, при 10,0кг от 50,0 до 60мм и при 15кг от 24 до 28мм. При дальнейшем увеличении частоты вращения рабочего органа с 100 до 140мин-1 амплитуда его осевого перемещения уменьшается при 5,0кг от 41 до 33мм, при 10кг от 60 до 53мм и при 15,0кг от 28 до 24мм.

Таблица 4.2 Результаты исследований зависимости амплитуды осевого перемещения, рабочего органа смесителя, от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства Таким образом, установлено, что максимальное значение амплитуды осевого перемещения рабочего органа достигается при частоте вращения от 90 до 110мин-1 и массе груза возвратного устройства 10,0кг.

Рисунок 4.13 – Графические зависимости амплитуды осевого перемещения, рабочего органа смесителя, от его частоты вращения и массы груза возвратного устройства 4.4.2 Результаты исследований зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа смесителя при различных диаметрах отверстия смешивающих лопастей.

Исследования по определению зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа смесителя проводились на лабораторной установке, (см. рис. 4.7). Для исследования использовались побочные продукты крахмалопаточного производства ОАО «Ибредьбкрахмалпаторка», отжатая мезга (крупная+мелкая) и сгущенный экстракт, влажностью W = 60% и W = 65% соответственно.

Полученные результаты исследований, зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа смесителя, представлены в таблице 4.3.

По результатам полученных данных (таблица 4.3) были построены графические зависимости производительности подающего устройства экстракта от частоты вращения рабочего органа смесителя, представленные на рисунке 4.14.

Таблица 4.3 Результаты исследований зависимости производительности, подающего устройства экстракта, от частоты вращения рабочего органа смесителя.

Частота вращения рабочего органа (), Рисунок 4.13 – Графические зависимости производительности, подающего устройства экстракта, от частоты вращения рабочего органа смесителя Из графической зависимости, представленной на рисунке 4.10 следует, что при повышении частоты вращения рабочего органа производительность подающего устройства экстракта увеличивается при диаметре отверстий жиклеров смешивающих лопастей 2мм от 0,53 до 0,66т/ч; при 4мм от 0,63 до 0,79т/ч; 6мм от 0,71 до 0,86т/ч. При дальнейшем повышении производительность подающего устройства экстракта снижается при диаметре отверстий жиклеров смешивающих лопастей 2мм от 0,66 до 0,59т/ч; при 4мм от 0,79 до 0,70т/ч; 6мм от 0,86 до 0,81т/ч.

Максимальное значение производительности подающего устройства экстракта достигается при частоте вращения рабочего органа смесителя в диапазоне 90…120 мин-1 и диаметре отверстий жиклров смешивающих лопастей 6мм.

Из анализа результатов исследований следует, что при данной конструкции модели смесителя характер графических зависимостей производительности подающего устройства экстракта и амплитуды осевого перемещения рабочего органа от частоты вращения рабочего органа аналогичны.

4.4.3 Результаты исследований многофакторного эксперимента Для проведения многофакторного эксперимента была составлена матрица плана и определены уровни варьирования факторов (см. таб. 4.4).

Для использования уравнения (4.3) в качестве расчетной формулы и интерпретации результатов опытов необходимо его преобразовать к именованным величинам. Дальнейшую обработку производим на ПЭВМ в компьютерной программе «Mathematika 4.2». Обработка результатов экспериментальных данных программой «Mathematika 4.2» осуществляется с помощью оператора Fit [data, {базисные функции}, {переменные}]. Данный оператор осуществляет приближение методом наименьших квадратов функций, заданных таблично.

В программе и в приложения частота вращения рабочего органа модели смесителя обозначена переменной X; амплитуда колебаний мембраны устройства подачи кукурузного экстракта Y; диаметр отверстия лопаток Z.

В результате обработки на ПЭВМ получены следующие модели регрессии.

Для определения степени однородности смеси:

= 9,0 + 0,50625x – 0,0021875x2 + 1,925y – 0,0025 xy – 0,015y2 + Таблица 4.4 – Матрица плана и уровни варьирования факторов варьирования рабочего мембраны лопастей (d), однородности расход х3 соответственно Для определения затрачиваемой удельной энергии N = 0,19375 – 0,0345x + 0,0002125x2 + 0,09275y – 0,000125xy – 0,00007y2 – Полученные математические модели позволяют расчетным путем найти численные значения степени однородности получаемой смеси и затрачиваемой удельной мощности в пределах варьирования уровней факторов эксперимента.

Модель регрессии второго порядка, адекватно отражающая процесс смешивания кукурузной мезги и сгущенного экстракта, была исследована для выявления оптимальных параметров степени однородности смеси и удельного расхода энергии. С этой целью с помощью компьютерной программы «Statistica»

построены графические зависимости частных сечений степени однородности смеси и удельного расхода энергии при фиксированных значениях частоты вращения рабочего органа смесителя, амплитуды колебания мембраны и диаметра отверстий лопастей (рис. 4.15…4.23).

Анализа графических зависимостей (рис. 4.15…4.17) показал:

– при частоте вращения рабочего органа смесителя 80мин-1 наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 90…92% достигается при диаметре отверстия 3,0…4,5 и амплитуде колебания мембраны от 48 до 58мм.

При этом минимальный удельный расход энергии обеспечивается при амплитуде от 54 до 62мм;

– при частоте вращения рабочего органа смесителя 100мин-1 наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 92…94% достигается при диаметре отверстия 3,5…4,8 и амплитуде колебания мембраны от 48 до 58мм.

При этом минимальный удельный расход энергии обеспечивается при амплитуде от 54 до 60мм:

– при частоте вращения рабочего органа смесителя 120мин-1 наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 96…98% достигается при диаметре отверстия 4,0…5,0 и амплитуде колебания мембраны от 48 до 58мм.

При этом минимальный удельный расход энергии обеспечивается при амплитуде от 53 до 57мм.

Анализ графических зависимостей (рис. 4.18 … 4.20) показал:

– при амплитуде колебания мембраны 50мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 96…98% достигается при диаметре минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 85…110 мин-1;

– при амплитуде колебания мембраны 55мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 92…96% достигается при диаметре минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 90…105 мин-1;

– при амплитуде колебания мембраны 60мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 90…94% достигается при диаметре отверстия 3,2…4,5мм и частоте рабочего органа 96…125мин-1. При этом минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 92…104 мин-1.

Анализ графических зависимостей (рис. 4.21, 4.22) показал:

– при диаметре отверстия 2мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 86…87% достигается при амплитуде колебания мембраны 48…56мм и частоте рабочего органа минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 85…105мин-1;

– при диаметре отверстия 4мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 94…96% достигается при амплитуде колебания минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 65…105мин-1;

– при диаметре отверстия 6мм наибольшая степень однородности приготавливаемого корма 92…94% достигается при амплитуде колебания минимальный удельный расход энергии обеспечивается при частоте вращения 83…103мин- Рисунок 4.15 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 80 мин- Рисунок 4.16 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 100 мин- Рисунок 4.17 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 120 мин- Рисунок 4.18 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстия лопастей при амплитуде колебаний мембраны 50 мм Рисунок 4.19 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстия лопастей при амплитуде колебаний мембраны 55 мм Рисунок 4.20 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и диаметра отверстия лопастей при амплитуде колебаний мембраны 60 мм Рисунок 4.21 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и амплитуды колебаний мембраны при диаметре отверстия лопастей 2 мм Рисунок 4.22 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и амплитуды колебаний мембраны при диаметре отверстия лопастей 4 мм Рисунок 4.23 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от частоты вращения рабочего органа и амплитуды колебаний мембраны при диаметре отверстия лопастей 6 мм Исходя из результатов проведенных лабораторных исследований, процесса смешивания отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного экстракта следует, что полученная степень однородности смеси соответствует зоотехническим требования, предъявляемым к подобным кормам [8,27,59,87,67С. 214]. Поэтому в дальнейшем оптимизацию факторов, частоту вращения рабочего органа его амплитуду колебаний и диаметр отверстия смешивающих лопастей, проводили относительно удельному расходу энергии затрачиваемой на процесс смешивания.