Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из решающих условий ускорения роста темпов производства животноводческой продукции, повышения ее качества и снижения себестоимости является кормовая база – обеспечение животных полноценными кормами, сбалансированными по питательности в соответствии с запланированной продуктивностью. Подготовка кормов к скармливанию и выбор технологического оборудования тесно связаны с принятой технологией содержания животных и качеством исходного кормового сырья. Доля кормов в общих затратах на производство продукции животноводства растет и составляет 60-75% себестоимости. Повышая эффективность использования кормов, можно оказать существенное влияние на снижение затрат на единицу продукции.
Измельчение является одним из наиболее энергоемких процессов при производстве комбикормов и кормосмесей и потребляет до 70% электроэнергии, затрачиваемой на весь технологический процесс. В зависимости от вида кормовых материалов и требований к измельченному продукту определяются тип машин и параметры их рабочих органов. Для измельчения зернового сырья применяют различные по конструктивному исполнению молотковые дробилки. При тонком измельчении эти дробилки дают до 30% пылевидной фракции, а при грубом – до 20% недоизмельченной фракции. Переизмельчение ведет к дополнительным потерям энергии, поэтому дробилки потребляют до 15 кВтч на 1 т измельченного продукта.
При дроблении зерна разрушается твердая оболочка, облегчается разжевывание, питательные вещества делаются более доступными пищеварительным сокам, в результате они наиболее полно и без потерь используются. Измельченное зерно легче перемешивается с другими кормами. Степень измельчения устанавливают в зависимости от качества корма, вида и возраста животных. Наряду с этим современные исследования в области кормления показывают, что следует не только обеспечить необходимую крупность частиц скармливаемого зерна, но и обеспечить выравненность частиц и необходимое распределение по крупности измельченного зернового корма. Экономически наиболее целесообразно создание измельчителей с эффективной классификацией материалов непосредственно в процессе их измельчения.
В отличие от молотковых дробилок, где измельчение осуществляется за счет удара рабочим органом по зерну, в центробежных измельчителях зерну придается движение, и оно разрушается о неподвижную или движущуюся преграду. Такие измельчители широко используются в ряде отраслей промышленности, позволяют вести процесс измельчения при относительно низких энергозатратах. Имеющиеся теоретические исследования по данной проблеме представлены применительно к конкретной машине и конкретному измельчаемому материалу.
В связи со сказанным большую актуальность приобретают вопросы обобщения имеющихся исследований и продолжение исследовательских и конструкторских работ по применению принципов центробежного разгона и удара зерна при измельчении зернофуража. Это определило необходимость разработки научных основ создания центробежных измельчителей фуражного зерна.
Особенностью процесса измельчения дисперсных материалов является интенсивный износ рабочих органов дробилок, что естественно снижает надежность работы машин и приводит к дополнительным затратам на изготовление и замену рабочих органов. Поэтому повышение надежности оборудования при измельчении дисперсных материалов также является одной из актуальных задач.
Повышение требований к качеству готовых кормосмесей потребовало создания смесителей более совершенных конструкций. Это, в свою очередь, вызвало необходимость детального изучения сущности процесса смешивания, его закономерностей.
Разработка и внедрение измельчающих машин высокоинтенсивного действия позволяет не только достичь определенной тонины помола, но и целенаправленно изменять физико-химические свойства обрабатываемого дисперсного материала. Несмотря на большое количество исследований, проведенных в области механической активации, в настоящее время теория, позволяющая с достаточно хорошей точностью прогнозировать ход процесса активирования дисперсных материалов, развита недостаточно.
Диссертационная работа выполнялась в рамках постановления ГКНТ СССР от 11.03.87 г. № 68 «Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов», в рамках межведомственной координационной программы на 2006-2010 годы «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» (распоряжение РАСХН № 22-16 от 17.06.02 г.), программы «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» (приказ Минсельхоза России № 342 от 25.06.07 г.).
Цель работы:
Повышение эффективности технологии обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения путем совершенствования технологических процессов и технических средств центробежного действия, обеспечивающих улучшение качества готового продукта, снижение энергетических и материальных затрат.
Объект исследований – технологические процессы и технические средства для обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения.
Предмет исследований – установление закономерностей и режимов функционирования измельчителей и смесителей центробежного действия.
Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись следующие теоретические и экспериментальные методы: основные законы механики (кинематики, динамики), дифференциальное и интегральное исчисление; численные методы; методы математической статистики, регрессионного анализа; термогравиметрические исследования, ИК-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс, контурный резонансный метод, рентгеноструктурный анализ, метод искусственных баз, оптическая и электронная микроскопия. Теоретические исследования подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных и производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%. Достоверность полученных материалов была обеспечена применением методов математической обработки и статистического анализа результатов исследований, планирования эксперимента и многофакторного анализа, пакетов математических программ для ПЭВМ: Statistica, MathCAD.
Научная новизна:
1. Предложена технология обработки дисперсных материалов сельскохозяйственного назначения с разработкой наиболее рациональных конструктивных схем измельчителей и смесителей центробежного действия, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат.
2. Разработаны теоретические положения по обоснованию конструктивно-технологических параметров разработанных измельчителей и смесителей центробежного действия.
3. На основании теории планирования эксперимента получены математические модели процессов измельчения и смешивания зерновых культур.
4. Разработана математическая модель процесса износа поверхностей разгонных и ударных элементов измельчителей центробежного действия.
5. Разработана математическая модель процесса механической активации дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств как в процессе ударного нагружения, так и с учетом релаксационных явлений, которая позволяет оптимизировать режимы активирования при получении материалов с заданными свойствами.
6. Результаты опытно-производственной проверки разработанных технических средств обработки дисперсных материалов.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований:
1. На основании проведенных исследований разработана технология обработки дисперсных материалов, включающая технические средства центробежного действия, которые позволяют существенно снизить энергетические и материальные затраты. Разработаны научные основы создания и проектирования измельчителей и смесителей центробежного действия. Конструкции защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.
2. Разработанное оборудование используется в технологии получения комбикормов (ЗАО ПО «Русь», СПК «Михеевский», ГУП ОПХ «Васильевское» Ивановской области), для активации полимерных материалов и смесей на основе полимеров в технологии получения тентовых материалов сельскохозяйственного назначения (Ивановский опытный завод «Искож»), для обработки наполнителей в технологии получения переплетных материалов и искусственных кож (Ивановский НИИПИК).
На защиту выносятся:
1. Технология обработки дисперсных материалов сельскохозяйствен-ного назначения.
2. Теоретическое обоснование конструктивно-технологических пара-метров измельчителей и смесителей центробежного действия.
3. Математическая модель процесса измельчения зерновых культур в измельчителе центробежного действия.
4. Математическая модель износа поверхностей рабочих элементов измельчителей центробежного действия.
5. Математическая модель процесса смешивания зерновых культур в смесителе непрерывного действия.
6. Математическая модель процесса активации дисперсных материалов в результате механической обработки.
7. Конструктивно-технологические схемы разработанных технических средств центробежного действия.
8. Результаты производственной проверки разработанных технических средств обработки дисперсных материалов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на девяти Международных конференциях, на четырех Всесоюзных конференциях и семинарах и на восьми региональных и областных конференциях.
Научная разработка «Измельчитель фуражного зерна» была отмечена Грамотой и Золотой медалью на IV Ивановском инновационном салоне «ИННОВАЦИИ-2007», Дипломом на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.). Департамент сельского хозяйства и продовольствия Ивановской области рекомендует измельчитель фуражного зерна к использованию в хозяйствах Ивановской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 научных работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретения и 4 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и предложений, списка литературы (487 наименований) и приложений. Работа изложена на 367 страницах, содержит 112 рисунков и 11 таблиц.
