Обоснование параметров процессов приготовления и раздачи кормовых смесей свиноматкам

Введение. Решающее влияние на продуктивность свиноматок в период лактации и успешное выращивание поросят оказывает организация рационального кормления животных полноценными кормами при высокоэффективном их использовании. Такое кормление животных предусматривает выдачу полнорационных многокомпонентных кормовых смесей в соответствии с их физиологическими потребностями. Исследования ученых и практика показывают, что повышение продуктивности животных достигается в том случае, когда кормовой рацион сбалансирован по всем питательным веществам, а количество корма каждому животному выдается в строгом соответствии с зоотехнической нормой [1,2].

В то же время известные кормораздатчики ограниченной мобильности допускают высокие погрешности при формировании доз заданной величины и не приспособлены для выдачи животным различных подкормок и кормовых добавок, что влечет за собой значительные непроизводительные расходы кормовых материалов. Прерывистость кормушек, обусловленная тех- нологией содержания и кормления тяжелосупоросных и подсосных свиноматок, вызывает неизбежные потери кормов в местах их разрыва [1, 2].

Основными операциями при приготовлении полнорационных кормовых смесей свиньям являются обязательная подготовка корнеклубнеплодов путем их мойки или сухой очистки, а также измельчение с определенным гранулометрическим составом продукта, получение однородных смесей с последующей их дозированной выдачей животным в соответствии с зоотехнической нормой [3].

Цель исследования: повышение эффективности функционирования системы механизированного кормления свиноматок.

Задачи исследования:

• -    разработать структурно-функциональную и конструктивно-технологическую схемы раздатчика ограниченной мобильности;

• -    аналитически и экспериментально обосновать оптимальные значения параметров процесса приготовления и раздачи кормовых смесей свиноматкам;

• - разработать линию приготовления и раздачи кормовых смесей с использованием инновационных технологических и технических решений.

На основании проведенного анализа разработана формализованная структурная схема системы механизированного кормления свиноматок (рис. 1).

Согласно принятой нами схемы приготовления и раздачи кормовых смесей свиноматкам, данные процессы характеризуются следующими целевыми функциями:

^ см   ^f (^М д ; К^к ; ^й / , Р / , Т_см, Фпр_п ) ^ ПТ. (IX,

5р = f(Д^д ; И с ; й; v_a ; 0_СМ . Т, ; р!) ) ^ тin; >  (1)

Nуд = f (Qau; Qp) ^ тin, где М- - массовая доля кормовых компонентов в смеси; ИК и Wc - влажность компонентов и кормовой смеси; - степень измельчения компонентов; рz - плотность компонентов; Тсм - время смешивания; Ф£рп, ФПрп - совокупность конструктивно-режимных параметров смесителя-раздатчика; Q см, Qp - производительности смесителя и раздатчика.

_вх ( )- совокупность входных параметров на временном отрезке ;

_вых ( )- совокупность выходных параметров на временном отрезке ;

_вых ( )- совокупность выходных параметров на временном отрезке

Рис. 1. Формализованная структурная система механизированного кормления свиноматок

В процессе дальнейшего анализа необходимо раскрыть эти зависимости.

Процесс получения смеси компонентов в смесителе-раздатчике для принятой нами схемы определяется зависимостью общего вида см = ( см; ;   ;   ш; )→      ,   (2)

где см - показатель однородности смеси; см - время смешивания; ,   - объем и мас са компонентов смеси; ш - угловая скорость вращения шнека; - соотношение компонентов в смеси.

Структурная и конструктивно-технологическая схемы мобильного смесителя-раздатчика кормов свиньям представлены на рисунке 2.

С учетом принятых положений, модель получения смеси требуемого качества в ее общем виде, представлена как

=  (  ;   ;   ;  )→      ․     (3)

^^opt

Производительность смесителя периодического действия определили с учетом фактора времени :

с∙          с∙       ⋯ с∙             ∙∑ см =                       =,

.⁄ / где - масса смеси по рациону; ,,

…,   - доля i -го компонента.

С другой стороны, см =∑      ∙   ∙  , где - объем -го компонента; - плотность -го компонента; -количество циклов, совершаемых в 1 час; - число смешиваемых компонентов.

Решение полученного уравнения с учетом (4)

и (5) относительно дает

∙ ∙∑      ∙   =∑        ∙    ∙  ,

.⁄ / где -число выгрузок смесителя в течение 1 часа, откуда

∙   ∙∑            ∙

.  ⁄ /∙∑       ∙          .⁄ /

Анализом данного уравнения установлено, что число циклов работы машины зависит от его темпа – .

Годовую производительность с учетом _см определили на основе коэффициента сменного и годового использования времени _см , _год :

_г = _см ∙ _см ∙ _см ∙ _год . (8)

По заданному объему смеси в течение года и режиму работы линии смешивания и раздачи кормовых смесей определили объем одной порции:

= ^г , (9)

см∙ см∙ см∙ год где см - время смены.

a

q(t)

q(t)

Q iз

б

Рис. 2. Структурная (а) и конструктивно-технологическая (б) схемы кормораздатчика-смесителя шнекового типа: 1 – бункер раздатчика-смесителя; 2 – шнековый смеситель; 3 – мешалка; 4 – заслонка; 5 – шнеково-выгрузное дозирующее устройство;

6 – кормушки кормления (L ф – длина фронта)

При известном объеме смеси количество смесителей-раздатчиков в линии раздачи составит

Кст = — =    ---.(10)

смр     см    ∑∙

Производительность кормораздающего электрифицированного агрегата в общем виде можно представить как

Qр = Нн ^а^^ кэ,(11)

где н- - количество кормовой смеси, выдаваемой на 1 м кормушки; аа - скорость движения агрегата; Та - продолжительность процесса раз дачи; кэ - коэффициент, учитывающий влияние случайных факторов на процесс раздачи.

Данные факторы оказывают влияние на равномерность выдачи кормовых смесей животным, и поэтому установлена степень их влияния на данный процесс.

На основании ранее проведенных исследований установлено, что случайные величины q_H , v_a , Т_а имеют нормальный характер распределения. В этой связи плотность распределения q н , v_a, Т_а [5]

f(qн ; "a. t)= f^Hн ; v^-f^. (12)

В данном равенстве fl(Чн; va) = - 2>(1 _ r2 )

(Я н -Я н ) _ 2 -r-⁽q н q н Hl) _a- V a)   (V a V a f

.  ^aq н              ^aQn '^a             ^_v_a   .

a f 2Ы

-0 ,S-(ta-ta) ²

— ■ e    ° T    , y^WCm

²™q н^а^Г² '

где ч н ; q н ; oq н ; Va ; Va ; ^a_a ; ta ; ta ; o m - соответствующие текущие, средние и стандартные отклонения случайных величин q _н , v_a и T_a ;

г — коэффициент корреляции; k_qHv- — корреляционный момент случайных величин q _н и v_a.

Математическое ожидание случайных величин

M[qн • va • Ta] = M[qн • va] • M[T= = {M[qн] • M[va] + kqн„ J • M[Ta] = = qн -Va- ta + kqн„а • ta .(15)

Дисперсию произведения q_н -v^ T_a определим как

D[q н • v« • Ta] = M[q2 • v²_a • T]] — M²[q н • v_a • T_a] = M[T²] • M[q н • v]—-M[[ qн •• Va • T_a] = {D[T_a} + M²[T_a]} •

{D[qн • Va] + M2 [qн • Va]} - M2 [qн -va-Ta].(16)

Учитывая, что

M2[qн ■ Va ■ Ta]=M2[qн • Va] • M2[Ta],(17)

можно записать

D[q н ■ V a ■ T a ] = D[T_a] - D[ q н ■ V a ] + M ² [q н ■ V a ] • D[T „ \ + M²[Ta] - D[ qн • V_a] =

Г\ 2

= (oT + ^a) -D[qн • Va] + oT • (qн • va + kq„„J .

При этом математическое ожидание величины q² • if

м[q2 • V]] = Я_qt 'frffqH • v^dqH • dva.

Преобразование данного выражения дает

^{M [}q ² • ^v2] = ² • r² • о I • of ⁺ of ■^of ⁺ 4•^r•v_a•q н • о н_н • aa _aa ^{+ q 2} • if ⁺ +q ² • ^of ⁺ if • of

И, в конечном итоге,

D[qн • va] = (1 + r2 ) • of -ef^-T-qн •Ua' оНн • aaaa + q2 • of + if • of,

D[ q н • V a • Ta] = (oT + t) • (of • of + кf^ + 2-qн • va • к q^ + qН • of + +f • o1и) + oT • (qн • va + к q\(21)

Соответственно, коэффициент вариации представим следующими выражениями:

_s р = ± ^ff f ff - _100% ;   (22)

_st = ± №я й ОМ • 100% .   (23)

Анализ выражений (22) и (23) показывает, что для точного дозирования необходимо соблюдение строгого равенства величины подачи всех структурных элементов (рис. 2, а).

Q зад = Qi = const = PfFfVi . (24)

Таким образом, при Qзад ( t )= Qi ( t )= const имеем

^∫ 'q ( t ) dt ^- Qзад ∙ ∆ t ≤ 8р ,      (25)

где ∫ ∆   (t) dt = ср - фактическая доза, кг; Q зад ∙ ∆ t= н - заданная норма выдачи, кг.

Допускаемое отклонение нормы выдачи корма ± 8_р назначается согласно зоотехническим требованиям к кормораздающим машинам [1].

Продолжительность формирования дозы равна

_______________4∙Qн n∙(D2-d2)∙s∙n∙p∙ kp ∙ kh ∙ kw ,

где Dиd - наружный диаметр и диаметр вала шнека соответственно, м; s - шаг винта, м; n-число оборотов винта, об/мин; kp - коэффициент, учитывающий угол наклона шнековой лопа- сти; kh – безразмерный коэффициент, определяемый из соотношения kh. = ; kw – коэффициент, определяемый соотношением к = kWi Qw н.

На этапе изучения процесса смешивания компонентов корнеплодно-концентратного рациона свиней, путем априорного ранжирования были выделены следующие факторы: ш ш , с ¹ - угловая скорость вращения вертикального шнека смесителя раздатчика; A _н - степень измельчения корнеплодов куузик; t см , мин – продолжительность смешивания.

За критерии оптимизации для данного процесса смешивания приняты: 0 , % - однородность смеси компонентов; N _уд, ^{кВт ∙ ч} - энергоемкость процесса смешивания.

Проведенный анализ позволил построить модели в их раскодированном виде:

0см = -3710,6 + 14,186 ∙ шш +18,713∙ Aн + 7,245 ∙ tсм -0,840∙ coш - -0,023 ∙ Aн - 0,671 ∙ t см → max , (27)

Nуд = 11,722 + 0,0033 ∙ шш - 0,0057 ∙ Aн - 0,0025 ∙ tсм -0,00025∙ шш ∙ Aн + 0,004 ∙ шш + +0,000073 ∙ Aн + +0,00026 ∙ t см → min ․                                    (28)

Решение данных уравнений позволило определить оптимальные значения параметров процесса смешивания: угловая скорость вращения вертикального шнека (0ш =7,7-8,5 с ¹; степень измельчения корнеплодов Aи =398-404 ; продолжительность смешивания кормовых компонентов t_см = 4,7 - 5,4 мин , при которых 0см = 98,9 % ^с и Nуд = 0,158 ( кВт · ч )/ т.

s = 44,785 - 1,3539 ∙ ы - 0,56653 ∙ ^ - 0,14897 ∙ cp - 292,210 ∙ L + +0,0070947 ∙ ш ∙ cp + 0,0125 ∙ ik² + 0,0003003 ∙ cp² + 1168,8 ∙ L² → min ․

Согласно разработанному методическому подходу, эффективность работы бункерного раздатчика кормов со шнековыми дозирующе-выгрузными устройствами оценивали неравномерностью дозированной выдачи кормовой смеси - 8_р , % .

Для практического использования получено следующее уравнение:

Минимальное значение неравномерности дозирования корма составляет 8 = 2,09 %, при этом параметры равны: частота вращения шнека ш = 8,37 c ¹ , угол наклона шнековой лопасти V⁷ = 22,7 ° , угол раствора выгрузного окна V = 149,2 ° и длина выгрузного окна L = 0,125 м [1].

Изучение влияния подачи дозирующе-выгрузного устройства на затраты мощности при выдаче готовой смеси путем анализа зависимостей, представленных на рисунке 3, а, показывает, что зависимость подачи устройства от частоты вращения шнека носит линейный характер.

Зависимости мощности, затрачиваемой на процесс дозированной выдачи корма от величины подачи шнека, представлены на рисунке 3, б [1].

Рис. 3. Теоретические и экспериментальные зависимости

Q =f(a>) ( а ) и = = KQ) (б)

При анализе зависимости устанавлено, что при увеличении подачи шнека мощность возрастает. Графически установим расход мощно- сти, затрачиваемой на выдачу определенной нормы корма [1].

На рисунке 4 представлена конструктивнотехнологическая схема инновационной линии.

Рис. 4. Cхема предложенной линии с совокупностью размещенного оборудования

Предложенные инновационные технологические и технические решения реализованы в линии приготовления и раздачи кормовых смесей свиноматкам (см. рис. 4) [4].

Вывод. На основе разработанных схем и методологических подходов предложен раздатчик-смеситель кормов с дискретным способом дозирования кормовых смесей свиноматкам при использовании концентратно-корнеплодного типа их кормления. Аналитическим и экспериментальным путём выявлены соответствующие зависимости, а также обоснованы оптимальные параметры раздатчика-смесителя с дискретным типом дозирования смесей свиноматкам.

Полученные результаты реализованы в инновационной линии приготовления и раздачи кормовых смесей свиноматкам, которая, вследствие своей более высокой эффективности, рекомендуется для свиноферм, подлежащих реконструкции.