Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы приготовления комбикормов в сельскохозяйственных предприятиях 15
1.1. Современное состояние производства комбикормов и потребность в них 15
1.2. Роль хозяйственных комбикормовых предприятий в создании прочной кормовой базы для сельскохозяйственных животных 23
1.3. Особенность приготовления комбикормов в хозяйствах 28
1.4. Анализ научных методов обоснования структуры и состава технологических линий комбикормовых цехов 40
1.5. Сравнительная оценка вариантов построения технологического процесса производства комбикормов 47
1.6. Схемы организации технологического процесса 53
1.7. Выводы. Цель и задачи исследования. Общая методология исследований 61
2. Системный анализ технологических схем комбикормовых предприятий 64
2.1. Комбикормовый цех как объект системного анализа 64
2.2. Схема исследований технологической системы комбикормового цеха 81
2.3. Закономерности функционирования технологической системы комбикормового цеха 84
2.4. Эффективность технологической системы комбикормового цеха 93
2.4.1. Выбор критериев эффективности 94
2.4.2. Предлагаемая модель эффективности технологической системы как иерархической структуры 96
2.5. Надежность структурных схем технологической системы цеха 103
2.6. Предлагаемая модель структурной сложности технологической системы комбикормового цеха 110
2.7. Многокритериальная сравнительная оценка комбикормовых цехов на этапе концептуального проектирования 123
2.8. Выводы по главе 130
3. Модели, методы и алгоритмы выбора состава технологических линий 132
3.1. Обоснование состава технологической системы комбикормового цеха при проектировании в условиях определенности 134
3.2. Выбор комплекта оборудования комбикормового цеха из имеющегося на рынке в условиях неопределенности 144
3.2.1. Экспертная оценка на основе нечетких множеств 147
3.2.2. Проверка согласованности экспертной оценки 152
3.3. Выводы по главе 154
4. Моделирование и многокритериальная оценка энергоемких технологических процессов комбикормового производства 155
4.1. Оптимизация гранулометрического состава дерти, образуемой при измельчении 156
4.2. Оценка процесса смешивания 165
4.2.1. Постановка задачи оптимизации 165
4.2.2. Математический аппарат для решения поставленной задачи 166
4.2.3. Многокритериальная оптимизация процесса смешивания 171
4.3. Оптимизация процесса прессования по энергетическому критерию 172
4.4. Выводы по главе 178
5. Внедрение результатов исследования в практику проектирования комбикормовых цехов и экономическая оценка технических решений 180
5.1. Обоснование типоразмерного ряда комбикормовых цехов 180
5.2. Предложения производству по технологическим схемам 187
5.3. Оценка экономической эффективности 193
Заключение 201
Список литературы 205
Приложения 230
- Особенность приготовления комбикормов в хозяйствах
- Предлагаемая модель эффективности технологической системы как иерархической структуры
- Оптимизация гранулометрического состава дерти, образуемой при измельчении
- Оценка экономической эффективности
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время перед агропромышленным комплексом России стоит задача интенсификации сельского хозяйства. Поэтому для развития отрасли необходим поиск путей повышения эффективности производства. Очевидно, что этот процесс невозможен без изучения теоретических аспектов эффективного развития, использования обоснованных критериев и показателей, а также требует применения научной методологии определения и мобилизации резервов в конкретных производственных условиях.
Ситуация в животноводстве во многом зависит от состояния кормовой базы, т.к. в процессе производства продукции животноводства на долю кормов приходится более половины затрат. Особое значение в рационе животных имеет комбикорм, позволяющий довести питательность рациона до требуемых значений, что влечет за собой повышение продуктивности. В связи с этим рассмотрение вопросов, связанных с определением сущности процессов повышения эффективности комбикормового производства, носит сложный и многосторонний характер.
Использование в рационах животных комбикормов, сбалансированных по всем элементам питания, позволяет получить прибавку продуктивности на 10-15% по сравнению с кормлением измельченными зерновыми кормосмеся-ми, а организация полнорационного кормления, в том числе и за счт использования в рационах животных и птицы комбикормов, имеет большое значение для сельскохозяйственных предприятий всех форм собственности. Приготовление комбикормов на крупных предприятиях не решает проблемы, так как не учитываются особенности животных каждого хозяйства. Кроме того, на перевозку исходного сырья и готовых комбикормов расходуются значительные средства.
В настоящее время многие из существующих комбикормовых агрегатов не отвечают требованиям современного производства, т.к. содержат элементы ручного труда, энерго- и материалоемки и в связи с этим имеют низкую эффективность.
Это является предпосылкой для разработки структурно-технологической схемы комбикормовых агрегатов с минимально достаточным количеством оборудования для качественного выполнения всего технологического процесса.
В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности использования цехов для производства комбикормов в сельскохозяйственных предприятиях, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Степень разработанности темы. Большой вклад в исследование процессов приготовления комбикормов на фермах, разработку теоретических основ проектирования линий, машин и оборудования комбикормового производства внесли ученые: В.А. Афанасьев, В.П. Горячкин, Г.А. Егоров, В.И.
Земсков, С.В. Золотарев, Е.М. Клычев, Л.И. Кропп, Г.М. Кукта, П.И. Леонтьев, Л.И. Лыткина, С.В. Мельников, Н.П. Мишуров, А.И. Орлов, В.А. Панфилов, В.И. Пахомов, У.К. Сабиев, А.М. Семинихин, Н.С. Сергеев, В.И. Сыро-ватка, А.В. Фоминых, Н.П. Черняев, В.А. Шаршунов и др.
Исследованиям эффективности функционирования поточных линий кормоцехов посвящены работы В.Р. Алешкина, А.А. Артюшина, Б.И. Вагина, А.Ф. Галкина, В.А. Голикова, С.М. Доценко, А.И. Завражнова, В.И. Земскова, А.И. Игитова, А.Н. Ковальчука, Л.П. Кормановского, Л.И. Кроппа, Г.М. Кук-ты, С.В. Мельникова, Н.М. Морозова, В.П. Ожигова, Е.И. Резника, Р.М. Славина, В.А. Стремнина, В.И. Сыроватки, Н.С. Яковлева и др.
Однако при всей значимости выполненных исследований некоторые аспекты данной проблемы недостаточно изучены. В частности не рассмотрено обоснование структуры и состава линий при комплексном использовании критериев эффективности, надежности и сложности системы, а также при полной и неполной исходной информации по имеющимся машинам и обоснования типоразмерного ряда в зависимости от поголовья животных на фермах.
Цель исследования – повышение эффективности производства комбикормов в сельскохозяйственных предприятиях путем разработки научно-методических основ обоснования структуры и состава технологических линий, оптимизации энергоемких процессов и типоразмерного ряда выпускаемого оборудования.
Задачи:
1) На основе анализа, систематизации и классификации различных
технологических схем комбикормовых предприятий сформировать критерии,
по которым оценивается структура технологических схем комбикормовых
цехов на этапе концептуального проектирования.
-
Разработать совокупность моделей и методов, с помощью которых можно осуществить, привлекая экспертную информацию, объективную многокритериальную оценку структуры технологических линий комбикормовых цехов.
-
Разработать методы и алгоритмы решения сформированных задач оптимизации состава оборудования, как единой технологической системы, с учетом полной и неполной исходной информации.
-
Сформулировать постановки задач и разработать методы решения многокритериальной оптимизации энергоемких технологических процессов комбикормового производства.
-
Разработать метод обоснования типоразмерного ряда комбикормовых предприятий на основе статистических данных о поголовье животных и количественном составе животноводческих ферм.
-
Внедрить разработанные методы, алгоритмы в практику проектирования сельскохозяйственных комбикормовых цехов. Дать технико-экономическую оценку результатов исследования и разработать рекомендации по их использованию.
Объект исследования: технологические линии и процессы приготовления комбикормов в условиях сельскохозяйственного производства.
Предмет исследования: методы, модели, закономерности и зависимости функционирования, обоснования и оптимизации технологических линий сельскохозяйственных комбикормовых предприятий.
Научную новизну и теоретическую значимость составляют:
-
Модели оценки эффективности, надежности, сложности и интегральный критерий на основе идеальной точки, позволяющие оценить структуру технологических схем комбикормовых цехов на этапе концептуального проектирования.
-
Метод адаптирующихся коэффициентов, позволяющий провести многокритериальную оценку и обосновать машинный состав комбикормового цеха при неполных сведениях об объектах выбора.
-
Математическая модель оценки комбикормовых цехов на основе нечеткого многокритериального анализа и экспертной информации, позволяющая провести оценку существующих схем комбикормовых цехов.
-
Математические модели многокритериальной оптимизации энергоемких технологических процессов комбикормового производства, что позволяет повысить эффективность производства и качество продукции.
-
Метод обоснования типоразмерного ряда комбикормовых предприятий на основе статистических данных о поголовье животных и количественном составе животноводческих ферм.
Новизна технических решений подтверждена 4 патентами на изобретения.
Практическая значимость. Предложенные в диссертации принципы моделирования и оптимизации параметров и режимов функционирования, рациональные технологические структуры комбикормовых цехов, методика оценки их эффективности с учетом условий функционирования могут быть использованы при проектировании и выборе технологических линий сельскохозяйственных комбикормовых предприятий.
Методология и методы исследования – в работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, многокритериальной оптимизации, экспертных оценок и нечетких множеств. В соответствии с задачами исследований разрабатывались частные методики.
Положения, выносимые на защиту:
– критерии и модели оценки структуры технологических схем комбикормовых цехов на этапе концептуального проектирования, позволяющие произвести комплексное сравнение различных схем;
– метод адаптирующихся коэффициентов важности критериев, при помощи которого можно обосновать набор машин в технологической схеме по введенным критериям при соблюдении технологического и функционального сопряжения машин в технологических линиях;
– математическая модель оценки существующих комбикормовых цехов на основе экспертной информации, позволяющая по введенным критериям принять правильное решение по выбору технологической системы цеха;
– математические модели оптимизации энергоемких технологических процессов комбикормового производства, таких как измельчение, смешивание и гранулирование, позволяющие снизить энергоемкость процесса и повысить качество продукции;
– метод обоснования типоразмерного ряда оборудования сельскохозяйственных комбикормовых цехов;
– оценка экономической эффективности и применимости результатов работы при приготовлении комбикормов на сельскохозяйственных предприятиях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: V и VI научно-практических конференциях «Молодежь-Барнаулу» (г. Барнаул, 2003, 2004); Международной научно-практической конференции «Вузовская наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2005); III, IV , VII, VIII, XI, XII Международных научно-практических конференциях «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2008, 2009, 2012, 2013, 2016, 2017); Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние механизации животноводства, переработки с.-х. продукции и подготовки кадров» (г. Новосибирск, 2013); XVIII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологий пищевых производств» (г. Барнаул, 2017); XIV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул, 2017). VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современная техника и технологии, проблемы, состояние и перспективы» (г. Рубцовск, 2017).
Степень достоверности теоретических положений и выводов подтверждена результатами производственной проверки и внедрения комбикормовых цехов, экспертной оценкой технологических линий, непротиворечивостью результатам исследований других авторов.
Реализация результатов исследований – материалы исследований и рекомендации по совершенствованию технологической структуры линий для производства комбикормов используются в учебном процессе Алтайского государственного аграрного университета. Результаты исследований для разработки конструкторской документации внедрены в ООО «Агромаштех-сервис» и ООО «Перспектива». Линии по производству комбикормов, в которых частично использованы наши предложения, внедрены на предприятиях: ОАО «Бурлинский элеватор» Бурлинского района, СПК «Искра» (ООО «Система») Топчихинского района, ЗАО «Колыванское» Павловского района, ООО «Малаховское» Косихинского района, ООО «Зиминское» Ребри-хинского района, ООО «Хлеборобное» Родинского района, АО «Киприн-ское» Шелаболихинского района, ГКУП «Антипинское» Тогульского района, ОАО «Ярко Поле» Смоленского района, СПК «Колхоз «Фрунзенский» и
СПК «Чистоозерный» Завьяловского района, ФГУП ПЗ «Комсомольское» Павловского района.
Связь темы исследований с государственными программами и НИР.
Исследования выполнялись в соответствии с:
– «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» (утверждена постановлением Правительства РФ 14 июля 2012 года № 717);
– «Федеральной научно-технической программой развития сельского хозяйства на 2017 - 2025 годы» (утверждена постановлением Правительства РФ 25 августа 2017 г. № 996);
– темой «Обоснование, разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий и технических средств для приготовления кормов» РК ЦИТИС № 01201157189 (от 21.04 2011 г.).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует научной специальности 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» по пунктам 5 и 7:
– Разработка методов повышения надежности и эффективности функционирования производственных процессов, использования агрегатов, звеньев, технологических комплексов и поточных линий, создание безопасных и нормальных условий труда, соблюдение требований охраны труда.
– Разработка методов оптимизации конструкционных параметров и режимов работы: технических систем и средств в растениеводстве и животноводстве по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических процессов.
Публикации. Основные положения опубликованы в 39 печатных работ, в том числе в 13 изданиях по перечню ВАК РФ, в 4 учебных пособиях, в т. ч. одно с грифом УМО, в 4 патентах РФ на изобретения, 1 монографии и 17 статьях в других изданиях.
Личный вклад состоит в непосредственном участии при разработке математических моделей эффективности и сложности технологической системы комбикормового цеха, разработке алгоритмов выбора состава технологических линий, многокритериальной оценке энергоемких технологических процессов и обосновании типоразмерного ряда комбикормового цеха. Постановка задач, направление и методология исследований осуществлялись совместно с научным консультантом, д.т.н., профессором И.Я. Федоренко.
При внедрении технологических линий для производства комбикормов автор участвовал в разработке технологических схем линий под конкретные требования предприятий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 250 наименований, 9 приложений. Общий объем работы составляет 294 страницы, в том числе 26 таблиц, 50 рисунков. Работа выполнена в Федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Алтайский государственный аграрный университет».
Автор выражает глубокую и искреннюю признательность научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Федоренко Ивану Ярославовичу за помощь и ценные замечания при выполнении диссертационной работы.
Особенность приготовления комбикормов в хозяйствах
Комбикорм – это разнородная по своим питательным и минеральным свойствам смесь, предназначенная для кормления различных видов сельскохозяйственных животных. Один и тот же комбикорм может подходить для кормления, например, молочных коров и быть совершенно противопоказанным для птичьего молодняка. В связи с этим для каждой группы животных и птиц, в зависимости от их возраста, вида, хозяйственного назначения и даже пола, разрабатывается своя рецептура и своя технология производства комбикорма. Особенностью хозяйственных предприятий является то, что на них невозможно осуществить типовые технологические схемы из-за недостаточного количества оборудования, поэтому технологический процесс на них сокращен, причем «степень сокращенности» тем выше, чем ниже производительность таких предприятий.
Тем не менее строительство хозяйственных комбикормовых предприятий на сегодня имеет важное народнохозяйственное значение и требует к себе особого внимания.
Оценочным показателем в той или иной схеме следует считать себестоимость производимых комбикормов и возможность создания эффективного и надежного и простого управления технологическим процессом. В литературных источниках [141, 186] представлены сравнительные технические данные по существующим и хорошо зарекомендовавшим себя комбикормовым агрегатам.
Применение таких агрегатов в хозяйствах позволяет сократить расход фуражного зерна на 15-20% и снизить себестоимость приготовления кормов из местных ресурсов до 30%.
Технологический процесс приготовления полнорационных комбикормов в хозяйствах на базе промышленных добавок заключается в приеме и рациональном использовании сырья, оперативной подаче его в производство, технологической подготовке и вводе всех компонентов в соответствии с рецептом, соблюдении режимов работы технологического оборудования и выпуске продукции, по качеству отвечающей требованиям стандарта. Все технологические операции можно выполнить на оборудовании, составленном из модулей или отдельных машин.
Для достижения в хозяйстве высокого качества комбикормов необходимо:
1. Правильно составить рецепт комбикорма на определенный уровень питательности по показателям исходного сырья и ограничениям по вводу компонентов для данной группы животных.
2. Использовать премиксы, соответствующие данному рецепту.
3. Строго выдерживать технологию приготовления комбикормов.
4. Проводить технологический контроль производственных процессов в соответствии с рекомендациями.
Себестоимость и качество приготовленных комбикормов зависит от правильности построения технологического процесса, выбора рабочего оборудования, его комплектации в технологические линии и от четкости работы составляющих механизмов.
Основными операциями линии для производства комбикормов в хозяйственных предприятиях будут очистка зернового материала, дозирование, измельчение и смешивание [53, 94, 96, 102, 130, 134, 181, 238]. В некоторых случаях используют гранулирование комбикормов. Рассмотрим эти операции более подробно.
Использование процесса очистки вызвано следующими причинами:
– комбикорма хорошего качества можно получить из сырья нужных кондиций, очищенного от минеральных, органических и металлических примесей;
– плохо очищенное сырье нарушает работу машин и оборудования: пыль, кусочки посторонних веществ задерживают выход продуктов из бункеров, а металлические предметы, попавшие в машины, выводят молотки и сита дробилок, лопасти вентиляторов, ковши норий и витки шнеков из рабочего состояния.
В зависимости от востребованной производительности, необходимой структуры частиц находят применения различные технические решения системы измельчения: вальцовый станок, горизонтальная молотковая дробилка, вертикальная молотковая дробилка.
Фирма Бюлер АГ произвела опыты по сравнению эффективности процесса измельчения в вальцовых станках и молотковых дробилках. Испытания проводились на одном продукте с применением различных сит для дробилок и при различных зазорах вальцов. Результаты испытаний представлены на рисунке 1.6 [227].
Как видно из рисунка 1.6 наиболее стабильным измельчителем по всем показателям является вертикальная дробилка. Одной из особенностей ее применения является отсутствие аспирации. Преимущество по сравнению с горизонтальной дробилкой более чем достаточно: меньше переизмельчение и усушка продукта, меньше удельное энергопотребление, лучшее использование молотков, более равномерная загрузка рабочей камеры, охват ротора декой может составлять 360, малая установочная площадь, простота сервисного обслуживания, низкий уровень шумовой нагрузки.
Существуют две основные концепции построения технологического процесса измельчения в комбикормовом производстве:
– раздельное измельчение, при котором отдельные компоненты подвергаются размолу перед дозированием;
– совместное измельчение, при котором все компоненты, подлежащие измельчению, предварительно дозируются. Мелкие частицы смеси (например мелкая фракция шротов или отрубей) при этом могут быть отделены в просеивателе перед измельчением и направлены на смешивание с тем, чтобы излишне не нагружать дробилку и не подвергать продукт переизмельчению.
Раздельное измельчение являлось ранее традиционной концепцией и до настоящего момента широко распространено на предприятиях комбикормовой отрасли России. Однако в настоящее время существуют уже достаточно примеров комплексной модернизации комбикормовых заводов, при которой технологический процесс был переведен на совместный вид измельчения. Проекты нового строительства комбикормовых предприятий во всем мире в подавляющем большинстве также предусматривают системы совместного измельчения.
Рассмотрим преимущества и недостатки обоих концепций измельчения.
Раздельное измельчение характеризуется такими преимуществами: возможно достижение различных гранулометрических характеристик для отдельных сырьевых компонентов; узел измельчения достаточно независим от узла смешивания и может эксплуатироваться с оптимальной эффективностью. К недостаткам данной концепции следует отнести: сложность измельчения сырьевых компонентов с высокой долей клетчатки; большие инвестиционные затраты; необходимость иметь достаточно большое количество бункеров; различия в гранулометрических характеристиках отдельных компонентов могут вести к рассортированию корма после смесителя.
Совместное измельчение имеет следующие преимущества по сравнению с раздельным: сложные компоненты легче измельчаются в составе смеси; возможно влиять на конечный гранулометрический состав смеси и добиться ее оптимизации с получением равномерной структуры корма; низкие инвестиционные затраты, так как нет необходимости в большом количестве бункеров. Однако совместное измельчение накладывает и некоторые ограничения. Например, невозможно получать желаемые гранулометрические характеристики для отдельных компонентов, и процесс смешивания находится в прямой зависимости от производительности процесса измельчения.
В последнее время широкое распространение в комбикормовой промышленности находят концепция ступенчатого измельчения. При разработке данной технологии в первую очередь уделялось внимание решению задачи по снижению удельных энергозатрат на процесс измельчения, повышенную гибкость процесса и упрощению эксплуатации оборудования. В системах раздельного измельчения используются либо вальцовые станки, либо молотковые дробилки, в системах совместного измельчения – исключительно молотковые дробилки. Ступенчатое измельчение предусматривает использование комбинации двух типов данного измельчающего оборудования.
При выборе оптимальной в технологическом и экономическом плане системы измельчения необходимо тщательно взвешивать все важные факторы. В зависимости от требований, предъявляемых к конечной продукции, выбор в пользу той или иной системы измельчения, ее комплектация и дальнейшая эксплуатация, могут сыграть решающую роль в успехе работы комбикормового предприятия.
Предлагаемая модель эффективности технологической системы как иерархической структуры
Рассмотрим метод оценки эффективности, разработанный в Институте прикладной механики РАН коллективом авторитетных ученых в области синергетики во главе с Г.Г. Малинецким [52].
В качестве простейшей зависимости, не учитывающей детали структуры, для двухуровневой системы предлагается формула (запишем ее в обозначениях авторов):
Sq,r = (s1q + в1)(s2r + в2) – в1 в2, (2.16)
где Sq,r – эффективность всей системы;
s1, s2 – эффективности элементов 1-го и 2-го уровней;
q, r – количество элементов на первом и втором уровнях;
в1, в2 – коэффициенты.
Когда в системе нет элементов, q=r=0, то S0,0=0. Выполнение этого равенства и обеспечивает последнее слагаемое в формуле (2.16).
Смысл зависимости (2.16) таков: взаимодействие элементов 1-го и 2-го уровней приводит, во-первых, к нелинейной зависимости и, во-вторых, синергетическому эффекту, отражаемому коэффициентами в1 и в2.
К сожалению, в таком виде формула (2.16) неприменима для анализа технологических схем комбикормовых производств по трем причинам:
1) в комбикормовых цехах практически нет одинаковых элементов на всех уровнях;
2) содержательный смысл коэффициентов в1 и в2 непонятен для экспертов, еще труднее прогнозировать значения этих коэффициентов;
3) по существу коэффициенты в1 и в2 являются подгоночными, что указывает на недостаточность наших знаний о процессе.
Поэтому попытаемся приспособить и изменить формулу (2.16) для решения наших задач, вкупе с использованием метода экспертных оценок. Экспертиза как способ получения информации давно используется при выработке решений. Результаты последних исследований позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время экспертные оценки являются в основном сформировавшимся научным методом анализа сложных, не формализуемых проблем.
Сущность метода экспертных оценок заключается в рациональной организации проведения экспертами анализа проблемы с количественной оценкой суждений и обработкой их результатов [170]. Обобщенное мнение группы экспертов принимается как решение проблемы.
При проведении экспертиз важно выбрать уровень декомпозиции, а иногда и сужения пространства критериев, по которым эксперт оценивает ту или иную систему.
Если эксперту дать экспертное задание, начиная с оценивания каждой машины цеха и заканчивая системой в целом, то это будет большая нагрузка на эксперта. При этом может быть утеряна информация о связях между элементами, подсистемами, системами.
Судя по рисунку 2.13, в данном случае при оценке технологической системы комбикормового цеха, нужно проводить снижение размерности пространства критериев, т.е. переходить от большого числа исходных критериев к существенно меньшему их числу. При этом не должен нарушаться принцип иерархичности и конкретизации технологической системы комбикормового цеха.
Это приводит к следующим условиям [57]:
– полнота, т.е. охват всех важных сторон и аспектов проблемы;
– информативность, т.е. полезность полученной информации для анализа и принятия решения;
– декомпозиция, т.е. при потребности возможность упрощения процесса оценивания путем разложимости цели на подцели с их независимым рассмотрением;
– неизбыточность, т.е. отсутствие дублирования при учете целей.
Исследуя иерархическую систему управления комбикормовым цехом (рисунок 2.2), следует признать, что указанным условиям отвечает рассмотрение подсистем 1-го и 2-го уровней, т.е. анализ уровней технологических линий.
В этом случае эксперт будет оценивать и сопряжение (согласование) технологических машин в каждой технологической линии. Это вообще трудно формализуемая процедура, и для сложных систем провести ее без участия человека – эксперта чаще всего не удается.
Отобразим технологическую систему комбикормового цеха, используя уровни 1 и 2 (рис. 2.2), т.е. выделяя технологические линии, в том числе ведущую линию, связанную с завершающими стадиями приготовления комбикормовой смеси. Изобразим это структурно-функциональной схемой, отображающей потоки ингредиентов. Чаще всего это веерная структура. В этом можно убедиться, изучив технологическую схему современного комбикормового цеха или завода (рисунок 2.1).
Для упрощения примем обозначения: Х1, Х2, …, Хm – подсистемы 2-го уровня (технологические линии);
Y – подсистема 1-го уровня (технологическая система смешивания и выдачи готовой продукции).
Таким образом, экспертному оцениванию должны быть представлены структурно-функциональная схема, изображенная на рисунке 2.12, и технологические системы конкретных цехов.
Оценивая каждую технологическую линию в целом, эксперт пользуется критерием (показателем) (2.17), т.е. который выражает степень соответствия реальной работы и возложенных на линию функций.
Показатель W изменяется от 0 до 1.
Оценивая работы технологической линии по качеству выполнения технологического процесса, эксперт руководствуется своим опытом, требованиями к идеальному технологическом потоку [114], руководствами по технологии комбикормов, белково-витаминно-минеральных концентратов и премиксов [7, 8], методическими рекомендациями по технологическому проектированию предприятий по производству комбикормов РД - АПК 1.10.17.01 - 15 [91].
Рассмотрим сначала 2-й уровень нашей системы, т.е. подсистемы XI, Х2, …, Хт. Пусть эффективность этих подсистем, поскольку они не взаимодействуют друг с другом, будет отражаться простой суммой показателей отдельных линий W(X) = W(X1) + W(X2) +... + W(Xm) = W(Xi), (2.17) где m - число подсистем (технологических линий).
Если бы системыІІ-иУне взаимодействовали, то их общая эффективность также была простой суммой
Оптимизация гранулометрического состава дерти, образуемой при измельчении
Одним из главных показателей качества комбикорма является его гранулометрический состав. Размер частиц определяется процессом измельчения и напрямую влияет как на процесс смешивания, так и на сегрегацию. При том, что процесс измельчения очень энергоемок, необходимо обосновать технологию измельчения с оптимизацией процесса по критерию оптимального гранулометрического состава дерти.
Согласно зоотехническим требованиям фуражное зерно подвергается трем степеням размола, которые характеризуются средними размерами частиц (модуль размола): 0,2-1,0 мм (для свиней), 1,0-1,8 (для КРС) и 1,8-2,6 мм (для птицы). Однако существующие измельчители дают широкий спектр размеров частиц дерти, захватывающей, как правило, все три степени размола. В связи с этим возникает проблема оптимизации гранулометрического состава получаемой дерти и выбор способов снижения разбросов частиц по размерам при измельчении фуражного зерна.
Известно, что размольные характеристики могут быть описаны с помощью непрерывного логарифмически нормального распределения. Впервые на этот закон указал академик А.Н. Колмогоров при анализе измельчения различных материалов [60], а экспериментально подтвердил в отношении измельчения фуражного зерна профессор СВ. Мельников [88]. Однако в дальнейшем это распределение было незаслуженно забыто, а исследователи использовали в основном распределение Розина-Раммлера.
Логарифмически нормальное распределение частиц по размерам утверждает, что нормально распределена не сама случайная величина х, а логарифм этой величины.
Аналитически функция плотности вероятности f(x) и функции распределения F(x) записывается в виде [58]
Графическая иллюстрация этих функций приведена на рисунке 4.1.
График функции f(x) ассиметричен с максимумом в точке exp(ju-a). Распределение имеет крутой левый и пологий правый спад, т.е. речь идет о положительной асимметрии. Фактически данный вид распределения указывает на то, что полученная дерть имеет размеры от нуля и до размера исходных зерновок. Для животных же требуется определенный интервал размеров частиц (хь х2).
Как видно из рисунка 4.1, в нужную зону (x1 x x2) попадает лишь некоторая часть помола. Размеры частиц (0, х1) представляют переизмельченный продукт, (х2, ) – недоизмельченный. Мелкий размол ведет к перерасходу энергии измельчителем, крупный - не усваивается животными. И в том, и в другом случае производство несет потери. Традиционный путь улучшения размольной характеристики - настроить измельчители таким образом, чтобы пик функции распределения находился в интервале (хи х2). Это мало спасает положение, поскольку недоизмельченный и переизмельченный продукты остаются. Тем не менее определим аналитически наибольшую вероятность попадания размера частиц х, как случайной величины, в интервал (xj, х2), вычислив производную dP/dx и приравняв ее нулю
Таким образом, даже при соответствующей настройке измельчителя в требуемый интервал попадет только часть получаемой дерти (в данном примере 57,8%).
Из вышесказанного ясно, что использование логнормального распределения позволяет получать физически и математически отчетливые результаты.
Более тонкий подход к решению задачи оптимизации гранулометрического состава дерти связан с введением экономических показателей. Для этого зададим удельные (в расчете на 1 кг дерти) потери от: 1) переизмельчения зерна (повышенные затраты энергии, недополучение продукции от животных) Сі (руб/кг); 2) измельчения согласно зоотехническим требованиям С2 (руб/кг); 3) недоизмельчения зерна (потраченная зря электроэнергия на измельчение и затраты на фуражное зерно, которое не усвоилось животными) Сз (руб/кг).
Формулы (4.14) и (4.15) учитывают только потери, связанные с затратой энергии на измельчение и с потерей кормов в связи с их неусвоением животными. Конечно, часть дерти с размерами частиц, не отвечающих физиологическим потребностям животного, усваивается организмом последнего. Но зоотехнические данные по этой проблеме столь разноречивы, что на данном этапе не могут быть включены в указанные формулы. К тому же эти потери (Q и С3) входят в формулу в виде отношения, что в некоторой степени компенсирует обсуждаемый неучет.
При конструировании измельчителей фуражного зерна и построения технологического процесса измельчения необходимо, как это следует из формулы (4.13)
Первый путь нашел свое развитие в трудах Челябинской школы исследователей (ЧИМЭСХ-ЧГАУ) под руководством профессоров П.И. Леонтьева и Н.С. Сергеева [82].
При использовании рабочих органов скалывающе-срезающего типа получается более выровненный по размерам продукт, чем в ударно-измельчающих машинах. В последних при действии на зерновки ударной нагрузки происходит неуправляемое ветвление трещин с получением широкого размерного ряда частиц дерти.
Второй путь, связанный с многостадийным измельчением, также эффективен. В частности, в работе В.А. Афанасьевой и Л.А. Плаксиной [6] экспериментально установлено, что двухстадийное измельчение является перспективным технологическим приемом гарантированного производства продуктов измельчения требуемой крупности. При этом производительность линии измельчения возрастает на 43%, а удельный расход энергии снижается на 32-34% в сравнении с одностадийным измельчением.
Необходимое условие эффективного использования многостадийного измельчения – промежуточное просеивание продуктов размола. Одна из возможных схем такого стадийного измельчения показана на рисунке 4.2.
Здесь показаны две полные системы «дробильная машина-сепаратор» и одна неполная, включающая лишь дробильную машину. При соответствующем наборе решет сепаратора проходом идут частицы, отвечающие зоотехническим требованиям. Сходом идут крупные частицы на повторное измельчение. Третья система является неполной, состоит лишь из дробилки.
Оценка экономической эффективности
Экономический эффект от использования результатов исследования, изложенных в данной работе, может быть достигнут при использовании разработанной технологии и обоснованной технологической линии приготовления комбикормов на сельскохозяйственных предприятиях. Главным образом эффект можно получить за счет увеличения прибыли от повышения качества продукции, сокращения затрат труда и снижения себестоимости производства продукции [90].
В нашем случае целесообразно применять сравнительную экономическую оценку предлагаемых разработок с существующими (базовыми) вариантами, в качестве которых выступают серийно выпускаемые машины подобного назначения. В качестве базового должен рассматриваться такой вариант, который служит для решения той же самой проблемы, что и вводимая новая техника.
В соответствии с [90] показателями сравнительной экономической эффективности являются годовой экономический эффект и экономический эффект от использования новой техники за весь срок ее эксплуатации.
Для приближенного и быстрого подсчета эксплуатационных затрат на этапе проектирования, а именно затрат на электроэнергию комбикормового цеха, амортизацию и ремонт можно воспользоваться монограммой (рисунок 5.5). Значения энергоемкости и материалоемкости машин приведены в таблицах 5.2 и 5.3.
Рассмотрим на примере. Выбираем требуемое количество технологических машин N=7. Проводим линию до требуемого количества дополнительного оборудования (транспортные машины и бункера). Пересечение с графиком даст сложность комбикормового цеха. Допустим, что предварительный расчет по укрупненным нормативам дал материалоемкость одной машины 300 кг. Продляем до пересечения с этим графиком и получаем годовые затраты на амортизацию и ремонт комбикормового цеха Зотч =95 тыс. руб. При N=7 и усредненной энергоемкости каждой машины Э=7 кВтч/т пересечение с графиком даст энергоемкость процесса в 49 кВтч/т. При годовой выработке Q =3000 т получим годовые затраты на электроэнергию Зэг =520 тыс. руб. Тогда годовые эксплуатационные затраты составят около 615 тыс. руб.
Экономическую эффективность разработанной линии для приготовления комбикормов оценим с комбикормовым агрегатом Р1-БКЗ компании «Мельинвест».
Для расчета используем научно-обоснованный рецепт комбикорма для коров на стойловый период (удой 5000 кг) К 60-17-89 (таблица 5.4) [105].
Методика расчета экономической эффективности изложена в работе [90]. Все необходимые данные (стоимость материалов, оборудования, его технические характеристики и пр.) взяты из справочных материалов, каталогов и других источников [147, 229].
Анализ данных таблицы 5.7 показывает, что при нормативном сроке эксплуатации 7 лет и годовой выработке 6336 т комбикорма получили годовой экономический эффект 1476 тыс. руб. по сравнению с серийно выпускаемым Р1-БКЗ производства «Мельинвест». Эффект получен за счет более низкой удельной энергоемкости и материалоемкости процесса и, соответственно, более низких отчислений на амортизацию, ремонт и техническое обслуживание.