Системный анализ измельчительных технологий в кормоприготовлении

Для дальнейшего повышения эффективности сельскохозяйственного производства необходимы исследования и разработки, способные снизить энергетические затраты на всех технологических этапах или сделать возможным получение большего объема продукции, без повышения затрат (материальных, экономических и др.).

Исследования в сфере кормоприготовительных технологий показывают, что при измельчении повышается усвояемость у некоторых видов органического сырья организмом животных [1]. Это позволяет использовать корма в меньшем количестве, не ухудшая результат (продуктивность коров, привесы животных и др.). Конечный продукт приобретает новые свойства, отличные от свойств цельных кусков сырья. Следовательно, выбор и обоснование экологически безопасного способа измельчения исходного сырья и получения высокодисперсного порошка для применения в качестве кормовой добавки сельскохозяйственным животным является актуальной задачей, решение которой будет способствовать повышению эффективности производства животноводческой продукции в целом [2].

Цель исследования состоит в повышении эффективности функционирования процесса измельчения органического сырья на основе оптимизации параметров технологического оборудования и использования концепции оперативного контроля показателей качества конечного продукта как случайных процессов

(в вероятностно-статистическом смысле), а также получении на установке кормовых добавок для применения в хозяйственной практике. Методологической основой исследования измельчительных технологий выступают кинетические закономерности и биологические явления, протекающие в порошкообразных материалах на атомарном и молекулярном уровнях и обеспечивающие синергетический эффект.

Научная новизна полученных результатов заключается в теоретическом обосновании и практической реализации метода высокодисперсного измельчения органического сырья путем разработки техникотехнологических решений, базирующихся на квантово-механических подходах и положениях биоинформатики [3; 4].

Объект и методика исследования

Объектом исследования является энергоэффективная технологическая установка дезинтеграторного типа, предназначенная для высокодисперсного измельчения органического сырья [2]. Структурная схема установки представлена на рис. 1.

На основании проведенных поисковых исследований разработан энергоэффективный технологический узел – рабочий орган измельчителя (рис. 2).

Рабочий орган измельчителя состоит из двух барабанов – вращающегося и неподвижного. Материал подвергается диспергированию посредством многократных ударных импульсов, сообщаемых ему рабочими элементами – билами. Пальцы-била имеют призматическую форму. Ряды пальцев обоих барабанов находят-

Рис. 1. Структурная схема установки для измельчения сельскохозяйственного сырья

Обозначения:

1 – камера сушки;

2 – барабанный измельчитель для предварительного измельчения;

3 – загрузочная воронка мелкодисперсного измельчителя;

4 – измельчитель сельскохозяйственного сырья;

5 – вал привода рабочих органов измельчителя;

6 – клиноременный привод вала;

7 – электродвигатель для привода рабочих органов измельчителя;

8 – датчик-анализатор контроля качества сырья;

9 – транспортер рецикла;

10 – система для упаковки готового продукта;

11 – выгрузочный транспортер.

ся на разных радиусах концентрических окружностей и входят с некоторым зазором один в другой. Для динамики разрушения измельчаемых материалов справедливы фундаментальные положения квантовой механики о природе материи и взаимодействии элементарных частиц.

Отличительной особенностью разработанной конструкции измельчителя является обоснованный выбор рабочих элементов обоих барабанов и их оптимальные эксплуатационно-технологические параметры (скорость, форма, длина и т. д.).

Для правильного понимания физической сущности технологических процессов измельчения и адекватного их описания, а также разработки методов расчета, оптимального проектирования и управления целесообразно использовать обоснованный системный подход [5; 6]. Реализация методологических принципов системной парадигмы включает следующие основные этапы:

• -    описание физической сущности и качественный анализ процесса измельчения как сложной динамической системы;

  

  Рис. 2. Рабочий орган измельчителя дезинтеграторного типа Обозначения: 1 – вал;

  2, 3 – барабаны;

  4 – загрузочная камера;

  5 – разгрузочная воронка;

  6 – пальцы-била.

  
  

• -    построение информационной модели процесса функционирования измельчителя дезинтеграторного типа;

• -    идентификация системы управления технологическим процессом измельчения на основе использования концепции оперативного контроля показателей качества конечного продукта;

• -    получение мелкодисперсных компонентов корма с заданными целевыми показателями.

Результаты исследования

Технология получения мелкодисперсного порошка предусматривает загрузку органического сырья в установку и последующее измельчение. Интервал возможных скоростей в диапазоне от 100 до 800 м/с обеспечивает заданную интенсивность столкновения кусков материала и превращения их в конечный мелкодисперсный продукт. Высокая скорость разгона материала в ограниченном пространстве спо- собствует непрерывному механическому вскрытию капилляров твердых частей перерабатываемого сырья [2].

Модель функционирования измельчителя дезинтеграторного типа представлена на рис. 3.

Составляющими вектор-функции Х являются: t – температура сырья (°С); W – влажность сырья, %; n – частота вращения барабана, мин^-1; G – гранулометрический состав исходного материала.

Вектор-функция В характеризует условия функционирования технологического процесса, а ее составляющими являются температура окружающей среды, влажность наружного воздуха и другие неуправляемые параметры.

Априорной моделью измельчителя дез-интеграторного типа как объекта контроля служит вектор-функция Y , компонентами которой являются показатели качества конечного продукта: дисперсность, температура, уровень гомогенизации и др.

Оптимизатор анализирует эффективность функционирования измельчителя по степени дисперсности материала σ и подает управляющий сигнал на систему в виде ω для изменения скорости вращения барабана при выходе значений за пределы установленного технологического допуска [7; 8].

В качестве исходного сырья при производстве кормовой добавки используется скорлупа кедровых орехов. С помощью измельчителя обеспечивается получение порошка размером частиц 0,01...0,02 мм [9].

Случайный разброс показателей качества функционирования приводит к неопределенности в выполнении измельчителем технологического процесса. Рассмотрение Y как случайной функции позволяет оценивать технологическую надежность измельчителя в виде вероятности нахождения показателей качества в допустимых пределах и открывает возможность для автоматизации процесса управления техническим объектом как динамической системой.

С целью оперативного контроля эффективности функционирования измельчителя целесообразно использовать настроечное значение y_н технологического процесса в качестве базы отсчета отклонений

Рис. 3. Модель функционирования измельчителя дезинтеграторного типа

Обозначения:

Х – вектор-функция входных параметров;

В – вектор-функция неуправляемых параметров;

Y - вектор-функция выходных параметров.

ординат реализации. При заданном допуске Δ_yH на отклонения ординат реализации показателя y(t) от настроечного значения y_H обобщенная оценка P_Δh ап-паратурно реализуется довольно просто, поскольку значения y(t) непосредственно сравниваются с y_н . За определенный период контроля Т в измерительном блоке формируются оценки:

TL     t— n + — ДН . p- —  ДН . p — p +  I p-

^Г Д Н = у ; ^Г Д Н = у ; ^Г Д Н = ^Г Д Н ^{+ Г} Д Н (1)

В алгоритм расчета также можно включить определение среднего числа выбросов n_Δh за поле допуска |2 Δ yh| в единицу времени:

^п Д Н =

^дн ⁺ 1г д н т

где:

n⁺ _Δн и n^- _Δн – число выбросов ординат реализации y(t) за поле технологического допуска выше и ниже настроечного значения y _H ; Т – время контроля.

Аппаратурная реализация алгоритма контроля по настроечному значению y_H показателя y(t) технологического процесса осуществляется следующим образом. Дифференцированный допуск Δ_y на неравномерность колебаний показателя эффективности функционирования технологического процесса отсчитывается от среднего значения m_y . Вероятность сохранения допуска P_Δ определяется по вероятностям P⁺_Δ и P^-_Δ нахождения показателя эффективности y(t) выше или ниже настроечного значения y_H .

Суммарная оценка вероятности выбросов ординат реализации y(t) за уровень y_H равняется:

Е _{д н} = Е д _Н + Е * _н = 1-Е _{д н} (3)

Полученные соотношения использованы при обосновании концепции опера- тивного контроля относительной длительности ΔP пребывания показателя технологического процесса в зоне допуска, а также при разработке алгоритма управления качеством этого процесса, так как сигнал ΔP (или ΔЕ) определяет знак и относительную величину отклонения фактического значения РΔH от заданного РΔЗ. Таким образом, задачей системы управления, реализующей такой алгоритм, является не уменьшение отклонений выходного показателя y(t) от настроечного его значения yн, а поддержание наибольшего значения РΔH (или наименьшего значения) EΔH, которое имеет место при ΔP → 0.

Разработанная модель функционирования измельчителя положена в основу построения системы управления технологическим процессом изготовления кормовой добавки. Аппаратурная реализация процедуры контроля качества измельчения материала осуществляется с помощью прибора Mastersizer 3000, работающего по принципу дифракционного анализатора [10; 11].

Схема указанного прибора представлена на рис. 4.

На разработанном измельчителе дезин-теграторного типа изготовлен продукт «Кедрокорм». Состав кормовой добавки «Кедрокорм» представлен на рис. 5.

Результаты применения кормовой добавки «Кедрокорм» в хозяйственной практике приведены в табл.

Оптимальный состав микро- и макроэлементов (рис. 6) и их высокая усвояемость обеспечивают синергетический эффект от применения кормовой добавки в рационе животных и птицы, что подтверждается данными наших исследований [2].

Имеется потенциальная возможность использования в рационах сельскохозяйственных животных кормовых добавок в виде мелкодисперсных порошков, приготовленных из других продуктов, на основе опыта и с учетом полученных результатов

Рис. 4. Схема прибора Mastersizer 3000

Обозначения:

• 1    – детекторы обратного рассеяния;

• 2    – измерительная ячейка;

• 3    – детекторы в фокальной плоскости;

• 4    – детекторы бокового рассеяния;

• 5    – красный лазер (633 нм);

• 6    – прецизионная оптика.

  0,0003

  0,0001

  
  

  0,0007

  

  30,4785

  0,4358

  1,0160

  Калий

  Фосфор

  Натрий

  Железо

  Медь

  Цинк

  Марганец    _68,0686

  Рис. 6. Микро- и макроэлементы, входящие в состав кормовой добавки «Кедрокорм», %

  
  
  

  Рис. 5. Состав кормовой добавки «Кедрокорм», %

  
  

Таблица. Результаты применения кормовой добавки «Кедрокорм»

Объект Период использования / доза Контрольный результат Коровы От 10 дней / 100 мг на 1 кг живой массы в день Увеличение суточного надоя молока до 1,5 л, улучшение вкусовых качеств молока и повышение жиромолочности Куры От 10 дней / 200 мг на 1 кг живой массы в день Положительное влияние на саму птицу, увеличение массы яйца на 8,0% и толщины скорлупы на 7,9% со скорлупой кедрового ореха. На рис. 7 ных материалов (тыква, свекла, морковь, представлены образцы порошков, полу- яичная скорлупа, борщевик Сосновского ченных из различных сельскохозяйствен- и др.).

Рис. 7. Образцы порошков из различного исходного сырья

Заключение

• 1.    Проведены поисковые исследования и выполнены опытно-лабораторные испытания на установке дезинтегратор-ного типа путем измельчения скорлупы кедрового ореха с получением кормовых добавок в виде мелкодисперсного порошка для сельскохозяйственных животных и птицы. Результаты применения кормовой добавки «Кедрокорм» в хозяйственной практике свидетельствуют о повышении продуктивности животных и птицы, а также о целесообразности дальнейшего использования кормов, полученных по разработанной технологии мелкодисперсных компонентов из различных сельскохозяйственных продуктов, в молочном скотоводстве и птицеводстве.

• 2.    Представлена физическая сущность и дано аппаратурно-технологическое оформление процессов мелкодисперсного измельчения органического сырья.

• 3.    Разработана информационная модель технологического процесса измельчения органического сырья и обоснована методика оперативного контроля каче-

• ства функционирования измельчителя дезинтеграторного типа.

• 4.    С использованием разработанной технологии получены порошки из таких исходных материалов, как тыква, морковь, свекла, борщевик Сосновского и др. Свойства указанных порошков позволяют говорить о перспективности формируемого направления исследований. Кроме того, по данной технологии можно перерабатывать скоропортящееся сельскохозяйственное сырье и таким образом уменьшать производственные отходы до минимума.

• 5.    В дальнейших исследованиях наибольшее внимание следует уделить проблеме оптимизации технологической стадии измельчения при получении конечного продукта с заданными целевыми показателями. На основании разработанных технико-технологических решений и достигнутого положительного эффекта от их реализации можно утверждать, что мелкодисперсная измельчительная технология является основой для формирования порошковой отрасли в целом. Исследования в этом направлении продолжаются.