20. Технология приготовления измельченного корма и комплекс машин. Расчет затрат энергии на измельчение кормов.

Технологические процессы приготовления кормов отличаются большим разнообразием, что обусловливается природно-климатическими зонами содержания животных, особенностями местности, наличием вблизи ферм предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, структурой посевных площадей, технологией содержания животных и другими факторами.

Различают следующие типы рационов кормления крупного рогатого скота: сенной, силосный, концентратный, силосно-сенной, силосно-корнеплодный, силосно-жомовый, силосно-сенажный, силосно-сенажно-концентратный с долей концентрированных кормов до 30-35% питательности рациона.

Для свиней применяют следующие типы кормления: концентратно-корнеплодный и концентратно-картофельный с содержанием концентрированных кормов в рационах до 60-75% питательности, концентратный.

Для овец применяют сено-силосно-концентратный тип кормления с содержанием концентратов до 25-35% по питательности. Для этих животных сено-концентратную часть весьма желательно скармливать в виде гранул.

Главным критерием экономической эффективности рационов являются наименьшая трудоемкость и себестоимость производства кормов, наибольший выход с 1 га кормовых угодий питательных веществ, полноценность кормов.

В связи с большим разнообразием рационов каждый из видов кормов обрабатывают по многим схемам.

Грубые корма (солому и грубостебельное сено) готовят по следующим схемам:

1)                   измельчение – дозирование – смешивание с другими компонентами;

2)                   измельчение – дозирование – запаривание – смешивание;

3)                   измельчение – дозирование – биологическая или химическая обработка – смешивание.

Корнеклубнеплоды готовят по схемам:

1)                   мойка- измельчение – дозирование – смешивание;

2)                   мойка – запаривание – разминание – дозирование – смешивание;

3)                   мойка – измельчение – дозирование – дрожжевание – смешивание;

Первую схему применяют на фермах крупного рогатого скота, вторую – на свинофермах, третью на фермах всех видов.

Зерновые корма готовят, используя следующие схемы:

1)                   очистка – измельчение – дозирование – смешивание;

2)                   очистка – измельчение – осолаживание (дрожжевание) – дозирование – смешивание;

3)                   очистка – измельчение – дозирование – смешивание – прессование;

4)                   очистка – проращивание;

5)                   очистка – измельчение – смешивание с мочевиной – экструзия;

6)                   очистка -  микронизация.

Эти схемы служат для выбора технологии и оборудования кормоцехов.

Измельчением называется процесс разделения твердого тела на части механическим путем, т.е. приложением внешних сил, превосходящих силы молекулярного сцепления.

В кормоприготовлении измельчению подвергаются зерно злаковых, бобовых и масличных культур, мел, соль, прессованные корма, пищевые отходы, сено, солома, корнеклубнеплоды, зеленая масса трав и т.п.

Измельчение играет важную роль в усвоении питательных веществ организмом животных. Чем мельче частица (до определенного предела), тем быстрее она обрабатывается желудочным соком животного и лучше усваивается. Пылевидные частицы комкуются и желудочный сок плохо проникает внутрь этих комков.

Измельчение уменьшает затраты энергии животными на разжевывание кормов, увеличивает их сыпучесть (грубые и волокнистые корма), улучшает условия механизации и автоматизации процессов смешивания, дозирования, раздачи.

Измельчение кормовых материалов может осуществляться различными способами: разбиванием свободным ударом, растиранием, плющением или раздавливанием, резанием, скалыванием или крошением. Каждый из способов измельчения применим для определенных видов кормов в зависимости от их физико-механических свойств и назначения измельчения, и осуществляется измельчителями со специальными рабочими органами. Например, зеленую массу трав для скармливания КРС измельчают резанием, а для свиней, кроме того, – растиранием и плющением; сухое зерно для приготовления комбикормов – свободным ударом, скалыванием или крошением, влажное для непосредственного скармливания или консервирования – плющением или раздавливанием и т.д.

Измельчение свободным ударом (см. рисунок 4.1) осуществляется молотками, шарнирно закрепленными на роторе, вращающемся в дробильной камере со скоростью 35...70 м/с. Материал при встрече с молотками дробится на лету, отбрасывается к стенкам камеры или решету и там за счет полученной кинетической энергии измельчается дополнительно.

Рисунок 4.1 - Измельчение свободным ударом

Измельчение растиранием (см. рисунок 4.2) осуществляется двумя рифлеными поверхностями, установленными с определенным зазором и совершающими движение друг относительно друга.

Рисунок 4.2 - Измельчение растиранием

Измельчение плющением или раздавливанием (см. рисунок 4.3) осуществляется двумя гладкими поверхностями, установленными с заданным зазором и имеющими одинаковую скорость (угловую или линейную). Поверхности могут быть решетчатыми.

Рисунок 4.3 - Измельчение плющением или раздавливанием

Измельчение резанием (см. рисунок 4.4) осуществляется ножами, движущимися навстречу друг другу. Один из ножей может быть неподвижным (противорез). Ножи могут иметь поступательное и вращательное движение.

Рисунок 4.4 - Измельчение резанием

Измельчение скалыванием или крошением (ломание) осуществляется зубчатыми поверхностями, придающими измельченному материалу деформацию изгиба или скола. При любом способе измельчения к материалу предъявляются определенные требования, которые, как правило, излагаются в зоотехнических требованиях при разработке той или иной измельчающей машины.

Крупность частиц зерновых концентрированных кормов должна быть не более: для КРС – 3 мм, свиней и птицы – 1 мм, если эти концкорма используются для приготовления влажных мешанок. Если используют плющенное или экструдированное зерно, частицы допускаются более крупными. При этом пылевидных частиц должно быть минимально.

Любой корм до и после обработки не должен содержать в себе твердых примесей и металлических включений, семян сорных растений.

Влажность измельченных концентрированных кормов, подлежащих длительному хранению, не должна превышать 14...15 %.

Из известных способов механического воздействия на зерно с целью его разрушения, таких как удар, сжатие, сдвиг, резание, истирание и т.д., наиболее широкое применение в практике  кормоприготовления нашли удар и сжатие.

Однако в большинстве оборудования этим видам деформации сопутствуют другие. Например, в молотковой дробилке наряду с измельчением ударом присутствует истирание, в вальцовом рифленом станке к сжатию присоединяется сдвиг и т.д. В одних случаях это явление желательное, в других - нет, поскольку способствует переизмельчению.

Выбор способа измельчения определяется рядом факторов, в числе которых вид корма, физико-механические свойства измельчаемого зерна, требования технологии подготовки кормов, зоотехнические требования к корму для различных видов животных.

Свойства измельчаемого материала, определяющие эффективность его измельчения, зависят от температуры и влажности. При сухих методах измельчения влажность оказывает отрицательное влияние, в том числе из-за налипания измельченного продукта на рабочие поверхности.

Дробление свободным ударом используется в молотковых дробилках (рис. 1.4).

Кроме разрушения от ударов по зерну молотками, продукт дополнительно измельчается при ударах о стенки камеры, которые выполняют рифлеными. Измельченные частицы просеиваются через сменное решето, размер отверстий в котором определяет модуль помола.

Молотковые дробилки позволяют измельчать фуражное зерно влажностью до 18-20%. Однако при использовании их для приготовления сенной или травяной муки влажность исходной резки не должна превышать 10-12%.

В основе принципа действия ударно-центробежных измельчителей лежит разгон зерна под действием центробежных сил с последующим ударом о движущуюся или неподвижную преграду. Указанные измельчители отличает малая энерго- и металлоемкость. Однако они весьма чувствительны к попаданию в полость измельчителя посторонних предметов, а также к повышению влажности исходного зерна.

Рис. 1.4. Рабочие органы, применяемые для измельчения зерна

Работа вальцовых станков основана на сжатии, сдвиге и срезе материала. При вращении пары вальцов их рифленые поверхности затягивают материал в рабочий зазор между собой и разрушают его. Вальцы в паре вращаются с различной частотой, что позволяет разрушать материал деформацией сдвига и препятствует залипанию рифлей. Качество измельчения регулируют, изменяя зазор в вальцовой паре и соотношение окружных скоростей вальцов.

Вальцовые станки работают при влажности зерна 15-16%. При более сухом зерне увеличивается выход мучнистой фракции. На более влажном зерне показатели вальцовых станков резко снижаются: залипают вальцы, уменьшается производительность, возрастают  энергозатраты.

Плющение зерна проводят на плющилках в рабочем зазоре между двумя гладкими вальцами, вращающимися с одинаковой рабочей скоростью. В некоторых конструкциях плющилок привод от двигателя устроен на один валец, а второй вращается свободно. Регулируют процесс плющения изменением расстояния между вальцами.

Плющению подвергается зерно в фазе  восковой спелости или прошедшее влаготепловую обработку, при этом его влажность существенно превышает равновесную. Полученные хлопья или должны быть сразу скормлены, или, в случае хранения, обработаны консервантами.

В зависимости от организации рабочего процесса в дробильной камере различают дробилки открытого (безрешетные) и закрытого типов. В дробилках первого типа материал быстро удаляется из нее. Применяется для крупнокускового, хрупкого, сухого, немажущегося материалов. Измельчение производится за счет энергии свободного удара молотка по кускам значительной массы.

Вдробилках закрытого типа решето и деки охватывают барабан от 120 до 360°. Материал удаляется по мере измельчения до заданного размера через отверстия решета. Эти дробилки могут быть с горизонтальным и вертикальным валом.

Рисунок 4.8 – Классификация дробилок по конструктивным признакам:

а – с радиальной подачей; б – с тангенциальной подачей; в – с боковой подачей.

По конструктивным признакам дробилки подразделяют на одно- и двухбарабанные, с радиальной (а), тангенциальной (б) и боковой (в) подачей материала в камеру дробления, с подачей его самотеком или принудительно, с вентилятором для отвода измельченного материала или без него, с жестким и шарнирным креплением молотков на роторе.

По назначению дробилки могут быть простыми (специализированными) и универсальными с молотковым и ножевым рабочим органом.

Большинство молотковых дробилок сельскохозяйственного назначения оборудованы циклонами с системой трубопроводов и фильтрами-пылеуловителями, образующими единую замкнутую пневмосистему. Это способствует обеспыливанию помещений, уменьшает взрывобезопасность и улучшает условия труда.

К рабочим органам относят молотки, решета и деки. Все остальные механизмы – транспортеры-питатели, бункеры, вентиляторы, циклоны, фильтры, трубопроводы, выгрузные транспортеры – являются вспомогательными, обеспечивающими непрерывность и надежность технологического процесса.

Молотки предназначены для измельчения материала влет. Их различают по форме, размерам и назначению. Молотки бывают (см. рисунок 4.9) пластинчатые прямоугольной (а) и ступенчатой (б) формы, а также составные фигурные (в).

Рисунок 4.9 – Формы молотков

Для измельчения зерна и мягких материалов используют пластинчатые молотки толщиной 2...3 мм, для стебельных кормов – 6...8 мм, для крупнокусковых (початки, жмых) – 8...12 мм, для сочных кормов – составные фигурные.

Изготавливают молотки из марганцовистой стали 65Г с закалкой рабочих (активных) поверхностей или углеродистой стали с наплавкой кромок сармайтом. Молотки с одним отверстием для пальца после износа кромки поворачивают, с двумя отверстиями – переставляют трижды. В зависимости от конструкции молотков и физико-механических свойств измельчаемого материала молотки могут служить 72...280 часов.

Размещают молотки на цилиндрической поверхности ротора по винтовой линии с двумя или тремя заходами или же параллельными рядами. В зависимости от числа заходов или количества рядов через каждую точку дробильной камеры молотки пройдут z раз в секунду:

где k – число заходов винта или рядов.

Столько же ударов может произойти в каждой точке камеры.

Решета предназначены для отвода готового продукта, дополнительного его измельчения и регулирования степени измельчения. В кормодробилках применяют гладкие решета из листовой стали с пробивными круглыми отверстиями диаметром от 3 до 10 мм. Живое сечение решет составляет 0,08...0,35.

Рисунок 4.10 - Решета молотковых дробилок:

а, б –гладкие; в, г – чешуйчатые.

Они изготавливаются из листовой стали толщиной от 2 до 8 мм и бывают (см. рисунок 4.10) гладкими (а, б) и чешуйчатыми (в, г). В тонких гладких решетах отверстия штампуются, а в толстых высверливаются. Для уменьшения сопротивления движению продукта отверстия в толстых решетах делают коническими. Чешуйчатые решета имеют острошероховатые поверхности, что значительно повышает эффект измельчения и пропускную способность в сравнении с гладкими решетами.

Деки предназначены для повышения эффективности процесса измельчения. Они представляют собой отражательные поверхности, установленные в верхней части корпуса и охватывающие ротор с одной или двух сторон на определенной дуге окружности. Они вместе с решетами составляют неподвижную стенку, о которую ударяются частицы материала, отброшенного молотками.

Деки бывают рифленые чугунные или стальные с пробивными отверстиями. Уложенные плотно к корпусу они образуют шероховатую поверхность. Рифли дек имеют угол зуба 95...105°, а передняя грань наклонена к радиусу под углом 40...45°. Это обеспечивает возврат частицы в зону действия молотков. Наибольшая эффективность измельчения происходит при прямом ударе частицы в риф деки.

Рисунок 4.11 – Процесс прямого удара

Процесс измельчения в молотковой дробилке происходит следующим образом. Зерна материала, попав в зону действия молотков, получают первый удар и отбрасываются к периферии, где отражаются поверхностью от деки или решета. Отражаясь от них, частицы замедляют свое движение, но в зоне действия молотков они опять ускоряются от их ударов и потока воздуха. При установившемся процессе по всей внутренней окружности корпуса дробилки образуется вращающийся непрерывно перемешивающийся слой материала. От многократных столкновений с молотками, решетом и декой зерна измельчаются. При достижении заданного размера частицы материала проходят через отверстия решета и удаляются из дробилки. На их место поступают новые порции неизмельченного материала.

Наибольшее применение при измельчении грубых кормов нашли ножевые, штифтовые, молотковые типы измельчающих рабочих органов для кормов (рис. 1.18);

Рис. 1.18. Рабочие органы измельчителей: а – ножевые: 1 – нож; 2 – противорежущая пластина; 3 – измельчаемый материал; б – штифтовые: 1 – неподвижный диск; 2 – подвижный диск; 3 – штифты; в – молотковые:  1 – диск; 2 – молоток; 3 – решето; 4 – дека; 5 – регулирующая заслонка

Достоинствами ножевых рабочих органов  являются малый удельный расход энергии, возможность измельчать корма любой влажности. Этот тип рабочих органов  применяется для измельчения грубых кормов,  корнеплодов.  Недостаток в том, что резка получается с острыми краями, нет продольного расщепления стеблей.

Штифовые рабочие органы применяются для измельчения грубых кормов путем излома, разрыва, расщепления вдоль волокон. Их преимущество перед другими  в том, что они измельчают стебли не только поперек но и вдоль волокон. Корм в таком виде хорошо    запаривается и охотно поедается животными. Недостатки -           повышенная энергоемкость,  неудовлетворительная работа на     кормах  влажностью более 20 - 25%.

Молотковые рабочие органы  являются универсальными: могут измельчать все виды кормов. Измельчение происходит очень мелкое, что не всегда требуется.  Тем не менее  молотковые измельчители незаменимы при производстве  травяной, сенной или соломенной муки, когда требуется размер частиц не более 1-3 мм.

Для приготовления сочных кормов   используют корнеклубнемойки, корнерезки, измельчители  корнеклубнеплодов и  кормоприготовительные агрегаты.

Камни частицы грязи от кормовой массы отделяют специальные устройства  различного  конструктивного исполнения. Наиболее эффективно этот процесс   протекает в воде, где камни, имеющие удельную массу значительно большую, чем у корнеклубнеплодов, оседают на дно ванны, а продукт выводится из устройства.

Корнеклубнемойки по конструкции  рабочих органов делятся на кулачковые, барабанные, дисковые и шнековые (рис. 1.19). Различают машины периодического и непрерывного действия, вода в них служит для удаления в осадок отдельных частиц грязи.

Рис. 1.19. Схемы корнеклубнемоек и корнерезок: I – корнеклубнемойки: а – кулачковая; б – барабанная; в – дисковая; г – шнековая; II – корнерезки: д – дисковая; е – дисковая с вертикальным валом;  ж – барабанная; з – с неподвижными ножами

Корнерезки и измельчители корнеплодов (см. рис. 1.19) по принципу действия делятся на машины с режущими (рубящими) рабочими органами, ударного действия (штифтовые или молотковые) и комбинированные (рубящие и ударные). Ножи при резке корнеклубнеплодов подвержены быстрому износу в результате абразивного воздействия земли и песка, находящихся на поверхности измельчаемого продукта.

Рабочими органами ударного  действия служат жестко или шарнирно закрепленные штифты, молотки или фрезы. Они более стойки к абразивному износу, однако измельчают корнеплоды со значительным выделением сока, что увеличивает потери питательных веществ в процессе приготовления кормов.

Другие различия в функционировании разных видов рабочих органов можно уяснить из табл. 1.6.

При надлежащем конструировании режущие рабочие органы имеют некоторые преимущества по удельным энергозатратам и получению продукта заданного гранулометрического состава.

Процесс измельчения часто характеризуется также приращением удельной поверхности частиц:

Обычно процесс измельчения изучается с двух позиций:

- выявляется зависимость между затратами энергии и степенью измельчения. Это позволяет выявить эффективность рабочего процесса, определить оптимальные рабочие органы применяемых типов машин и режимы их работы;

- определяется закономерность распределения измельченных частиц по крупности, что позволяет найти наиболее эффективные способы расчета средних размеров частиц, величин их удельной поверхности и численных значений степени измельчения.

Оба этих вопроса рассматриваются в энергетической теории измельчения.

Чтобы разрушить тело на части, необходимо приложить к нему усилие, большее, чем силы молекулярного сцепления. Силы молекулярного сцепления зависят от физико-механических свойств материала и поэтому могут быть различными. Работа внешних сил, затраченная на измельчение материала и отнесенная к единице массы или объема, называется удельной работой измельчения.

Еще в прошлом веке были предложены две энергетические теории измельчения: поверхностная и объемная. В соответствии с поверхностной теорией измельчения, которую предложил немецкий ученый П. Риттингер (1867 г.), работа измельчения прямо пропорциональна вновь образованной поверхности:

где α – коэффициент пропорциональности, учитывающий величину энергии молекулярного сцепления твердого тела.

Экспериментальные исследования показали, что поверхностная теория измельчения применима лишь при тонком измельчении. Для грубого измельчения русский ученый В.Л. Кирпичев (1874 г.) и немецкий ученый Ф. Кик (1885 г.) предложили объемную теорию измельчения, согласно которой работа измельчения прямо пропорциональна объему деформированной части тела

где k – коэффициент пропорциональности;

V – объем деформированной части тела.

Поскольку при измельчении могут получаться крупные и мелкие частицы, П.А. Ребиндер в 1928 г. предложил объединить обе теории в одну и рассматривать общую работу как сумму работ на образование новых поверхностей и деформацию, части объема тела

Анализируя приведенные зависимости, нетрудно убедиться, что для практического использования они малопригодны. С одной стороны, тяжело определить численные значения приращения поверхности и объема деформированной части тела, с другой – неизвестны коэффициенты α и k.

В 1952 г. С.В. Мельников предложил приближенную формулу для количественных расчетов работы измельчения в зависимости от степени измельчения:

где С₁ и С₂ – коэффициенты, учитывающие удельные затраты энергии на измельчение и имеющие размерность удельной работы (Дж/ кг), определяются опытным путем. Например, для ячменя С₁ = (10...13) 103 Дж/ кг, С₂ = (6...9) 103 Дж/ кг.

Как мы уже говорили, при измельчении получаются частицы различного размера и тем более формы. Чтобы каким-то образом упорядочить размер и форму частиц для возможности дальнейших расчетов, принято приводить частицы неправильной формы к шару. При этом его диаметр определяется из фактического объема частицы неправильной формы.