Научные основы разработки пресс-гранулятора для производства кормовых продуктов кроликам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научные основы разработки пресс-гранулятора для производства кормовых продуктов кроликам

Доценко С.М.*, Горбунов К.М.**, Школьников П.Н.**, Гончарук А.И.**

*Амурский государственный университет

**Дальневосточный государственный аграрный университет

Аннотация

В статье обоснована необходимость и целесообразность приготовления кормовых продуктов для кроликов в виде гранулята с помощью специального оригинального устройства, выполненного в виде пресс-гранулятора. На основе нового способа предложено и оригинальное техническое решение, позволяющее утилизировать брикеты в виде отработанных соломенно-грибных субстратов путем их технологической трансформации в инновационные кормовые продукты гранулированной формы. гранулятор корм субстратный

В результате теоретических исследований получены оригинальные аналитические зависимости, характеризующие процесс формирования композиций соответствующей плотности в компрессионной камере пресс-гранулятора. При этом в компрессионной камере формируется монолит, содержащий минимальное количество воздушных пор.

На основании эксперимента получены математические модели, характеризующие плотность соответствующих комовых композиций инновационного состава и свойств в зависимости от значений конструктивно-режимных параметров пресс-гранулятора. На основании полученных новых данных и оригинальных методологических подходов создан пресс-гранулятор с компрессионной камерой, позволяющий получать инновационные кормовые продукты для кроликов.

Ключевые слова: корма, субстратное сырье, грибы, микокорм, уплотнение, факторы, подача, параметры, пресс-гранулятор, математическая модель

В качестве субстратного сырья при культивировании грибов рода «Pleurotus» широко используется солома различных зерновых культур, а также древесные опилки и щепа, полисахариды клеточных стенок которых в процессе производства грибов посредством гидролитических ферментов разрушаются с образованием легкодоступных сахаров.

Данное обстоятельство позволяет использовать в качестве источника сырья для культивирования грибов соевую солому и получать ценные высокобелковые деликатесные продукты, а отработанный субстрат применять как микоудобрение, как микосубстрат, а также как питательную добавку в корма сельскохозяйственных животных - микокорм [1, 2]. Однако в настоящее время отсутствуют рациональные способы утилизации отработанных субстратных отходов и на удобрения, и на корм. В этой связи отсутствуют и технические средства для реализации данных способов, что существенно снижает эффективность работы системы производства съедобных грибов.

Таким образом, поставленная на решение проблема имеет важное народнохозяйственное значение.

Целью исследований является получение аналитических и эмпирических данных для разработки пресс-гранулятора, используемого в линиях приготовления кормовых продуктов.

Задачи исследований:

- получить аналитические выражения в виде расчетных формул по обоснованию параметров пресс-гранулятора;

- получить эмпирические модели для обоснования оптимальных значений параметров пресс-гранулятора;

- разработать рациональную схему по использованию предложенного пресс-гранулятора в линиях производства кормов кроликам.

Методика исследований

В качестве общего методологического подхода принят системный анализ с использованием методов механики и математической статистики, а также элементов теории вероятности и многофакторного эксперимента с программным обеспечением «Excel», «Statistika-7» и других.

На основании анализа существующих технологий приготовления кормов для кроликов разработана схема, в соответствии с которой в качестве основного углеводного компонента используется соломенно-грибной субстрат (СГС), получаемый в виде отходовых брикетов при производстве грибов рода «Pleurotus». Кроме этого, в рецептуре использованы морковь, картофель, ламинария и соевая окара в виде пастовых продуктов.

На рис. 1 представлена конструктивно-технологическая схема пресс-гранулятора для производства влажных гранул с целью последующей их сушки в сушильной камере типа «ЭСПИС-4-Универсал».

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема устройства для получения гранул

1 - бункер-смеситель; 2 - винт; 3 - компрессионная камера; 4 - гранулирующий узел

Согласно технологическому процессу уплотнения композиции (рис. 1), частицы соевого или корнеплодного, а также сено-соломистого сырья в виде смеси, винтом пресса продавливаются в полость компрессионной камеры 3.

Сжатие поступившей в компрессионную камеру (КК) порции обусловлено силами трения ранее запрессованного продукта в виде композиции о стенки камеры, и в таком случае работа сжатия новой порции продукта А_сж должна быть равна работе силы трения А_тр [3].

(1)

Примем, что связь между плотностью с₁ прессуемой композиции и приложенным давлением Р выражается степенной зависимостью

(2)

где с и m - эмпирические коэффициенты.

Для определения модели, характеризующей работу силы сжатия для нашего случая, можно записать, что

(3)

где: а, в - размер сторон КК;

L_k - длина КК;

с₂ - плотность продукта в КК.

В полученном выражении (3) неизвестным параметром является параметр, характеризующий плотность продукта композиции - с₂.

Для получения аналитической модели примем, что поперечное сечение компрессионной камеры имеет форму квадрата с ребром у основания, равным А. В то же время, с целью проведения теоретического анализа, логичным является использование подхода, при котором размер основания элементарных частиц равен - а (рис. 2).



Рис. 2. Схема к расчету параметров компрессионной камеры пресс-гранулятора

Тогда объем исходной частицы должен быть равен V_э=а³, а компрессионной камеры - V_к=А³ при L_к=А. При этом вполне очевидно, что существует соотношение, при котором

(4)

(5)

(6)

На рис. 3 приведена зависимость числа частиц С_r(a_i) от их характерного размера а_i.

Рис. 3. Зависимости числа элементарных «кубиков» С_r(d_i) от характерного размера а_i^max

1 - число частиц-кубиков по первой фазе формирования монолита;

2 - число частиц-кубиков по второй фазе формирования монолита;

3 - число частиц-кубиков по третьей фазе формирования монолита

Гипотетически примем, что плотность монолита в компрессионной камере с_к пропорциональна первоначальному размеру «частицы-кубика» в степени м (рис. 4):

(7)

где в - коэффициент пропорциональности.

Рис. 4. Зависимости плотности монолита в компрессионной камере - с_к от характерного размера «частицы-кубика» - а_i^max.

Математическое ожидание среднего размера вновь образовывающихся «частиц-кубиков» после первого, так называемого «упорядоченного», их сложения равно:

(8)

Примем, что и тогда

(9)

После преобразования имеем, что

(10)

Обозначив вероятность появления данного события (сложения в куб) как с₂(0<с₂<1), с учетом предыдущих выражений, получим:

(11)

Для случая, когда «частицы-кубики» вновь формируют «кубик» со стороной размером 3а_i путем аналогии, получаем:

(12)

(13)

После третьего цикла формирования куба

(14)

(15)

Для куба, образовавшегося в результате R-го цикла его формирования, имеем:

 (16)

(17)

Суммарная плотность всех «частиц-кубиков» и образовавших куб - А и всех его образовавших «кубиков» равна:

(18)

С учетом предыдущих выражений (16) и (17) имеем:

(19)

Множитель при является, по сути, степенью уплотнения

(20)

Данный коэффициент показывает, во сколько раз уплотняется композиция к моменту ее сформированности в компрессионной камере (КК).

Работа силы трения продукта о стенки КК равна:

(21)

где F_тр - сила трения.

Сила трения в КК квадратного (прямоугольного) сечения определяется как

(22)

где f - коэффициент трения материала композиции о стенки КК;

о - коэффициент бокового распора, равный о=Р_б/Р_l, где Р_б, Р_l - боковое и осевое давления в КК.

Для установления характера Р_l запишем условие равновесия:

(23)

Разделение переменных и интегрирование данного выражения дает, что

(24)

где с - постоянная интегрирования при l=0 с=а·в·ln·Р₁, где Р₁ - начальное давление в КК.

Подставляя значение с и потенцируя, получим, что

(25)

Решая совместно уравнения (2), (22) и (25) с последующим интегрированием, получаем:

(26)

Тогда для выражения по определению работы силы трения имеем:

(27)

С учетом равенства (1) для выражений (14), (20) и (24) имеем, что

(28)

где параметр у определяется по формуле (20).

Продолжительность пребывания композиционного продукта в КК равна:

(29)

где с_к(А) - плотность продукта в КК, определяемая по формуле (16);

ш_р - коэффициент, учитывающий расширение монолита;

t_р - время релаксации материала продукта;

Q_пг - производительность устройства.

Технико-экономическую эффективность процесса уплотнения продукта, в виде композиции находящейся в КК, можно оценить с учетом энергоемкости Э₁:

(30)

где N_упл - затраты мощности на уплотнение продукта;

П_р - прочность гранул, - %;

Q_пг - производительность устройства.

Для высушенных гранул энергоемкость можно оценить по выражению

(31)

где с - плотность высушенных гранул.

При проведении экспериментальных исследований в качестве критерия оптимизации принята плотность влажных гранул - У_1-3(с_1-3), кг/м³.

При этом устанавливалась зависимость, общий вид которой представили как

(32)

где щ_в - угловая скорость вращения винта, рад/с.;

S - шаг витков винта, мм;

L_к - длина компрессионной камеры, мм.

В результате проведенной математической обработки экспериментальных данных, установлены математические модели, характеризующие процесс получения влажных гранул:

- с использованием моркови:

с₁ = - 719,45 + 128,1·щ + 6,65· S + 17,05·б - 5,07·щ² -

- 0,14· S² - 0,09·б²> max; (33)

- с использованием картофеля:

с₂ = - 280,12 + 132,45·щ + 4,79· S + 8,42·б - 0,04· S ·б - 5,81·щ² -

- 0,02· S² - 0,04·б²> max; (34)

- с использованием ламинарии

с₃= - 1329,84 + 263,69·щ + 6,4· S + 13,6·б - 11,98·щ² -

- 0,07· S² - 0,08·б²> max; (35)

Оптимальные значения параметров находятся в следующих пределах: щ_в=11-12,63 с^-1; S=23,75-45,71 мм и L_к=85,0-94,72 мм, при которых плотность композиций составляет с_1-3=845,4-976,18 кг/м³.

На рис. 5 приведена конструктивно-технологическая схема линии по производству гранулята для кроликов, в качестве базовой машины в которой использован предложенный пресс-гранулятор [4-6]. Линия также включает инновационное техническое решение в виде малогабаритного многофункционального мобильного агрегата (МММА).

Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема линии по производству гранулята для кроликов

1 - рулоны СГС; 2 - манипулятор; 3 - захват; 4 - измельчитель-распределитель;

5 - бункер МММА; 6 - распределяющий козырек; 7 - шнековый транспортер;

8 - пресс-гранулятор; 9 - бункера-дозаторы; 10 - лоток; 11 - шкаф «ЭСПИС-4 - Универсал»; 12 - фасованный гранулят

Получена совокупность новых и оригинальных данных теоретического и экспериментального характера, позволяющая на стадии проектирования технологий и оборудования предложенного типа применять их обоснованно, с тем, чтобы иметь инновационные продукты низкой себестоимости и высокой биологической ценности.

Список использованных источников

1. Тищенков А.Д. Субстраты для культивирования вешенки. - М. - 1999. - 47 с.

2. Иванова Л.А., Войно В.И., Иванова И.О. Пищевая биотехнология. Кн. 2. - М.: КолосС. - 2008. - 470 с.

3. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. - Л.: Колос. - 1978. - 560 с.

4. Патент РФ №2555581 Способ приготовления гранулированного кормового продукта / Доценко С.М., Школьников П.Н. и др. Опубл. В Б.И. №19 от 10.07.2015.

5. Патент РФ №2555578 Способ приготовления гранулированного кормового продукта / Доценко С.М., Школьников П.Н. и др. Опубл. В Б.И. №19 от 10.07.2015.

6. Рекомендации по повышению эффективности функционирования системы производства и переработки грибов рода «Pleurotus». Доценко С.М., Гончарук А.И., Гончарук О.В., Школьников П.Н., Горбунов К.М. - Благовещенск. - 2016. - 11 с.

Размещено на Allbest.ru

...