SEARCHING AND SCIENTIFIC JUSTIFICATION OF RATIONAL DESIGN DECISIONSIN TECHNOLOGY OF COMPLEX PROCESSING OF RAW RICE
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
LLC"Corporation MetaSynthes"
3.
LLC"Scientific Production Enterprise"Zolotoe Zernyshko"
Type:
Article
Pages:
from 16
to 22
Status:
Published
Received:
10.04.2013
Accepted:
15.04.2013
Published:
15.04.2013
Subject area:
UDK 664.782.4.004.69
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 36.822.7:36.821.03-02
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 36.822.7:36.821.03-02
Language:
Russian
Keywords:
grain, groats, grain processing, raw rice, grain peeling, grain grinding, automated control system, technologies of mechanical engineering, machine details
Abstract (English):
Short results of the analysis of scientific and technical, and patent literature on grain processing, while receiving groats, are presented. The results of development and model tests of purification of raw rice are reflected. The tasks for carrying out further researches for the purpose of development of the device and the automated control system for purification of raw rice in the conditions of small country farms are defined.
Short results of the analysis of scientific and technical, and patent literature on grain processing, while receiving groats, are presented. The results of development and model tests of purification of raw rice are reflected. The tasks for carrying out further researches for the purpose of development of the device and the automated control system for purification of raw rice in the conditions of small country farms are defined.
Keywords:
grain, groats, grain processing, raw rice, grain peeling, grain grinding, automated control system, technologies of mechanical engineering, machine details
grain, groats, grain processing, raw rice, grain peeling, grain grinding, automated control system, technologies of mechanical engineering, machine details
Введение Несмотря на сравнительно небольшие объемы производства, эффективная работа малых форм хозяйствования не только обеспечивает устойчивое развитие отечественного аграрно-промышленного комплекса (АПК), но и способствует созданию стратегического запаса земельных угодий и сохранению навыков ведения хозяйств, необходимые для пополнения сельскохозяйственного сектора в случае непредвиденных (внутренних либо мировых) продовольственных угроз [1]. Учитывая современное состояние отечественного АПК, очевидно, что для обеспечения стабильного и интенсивного роста малых форм хозяйствования необходимо создание и практическое внедрение наукоемких технологических и технических решений, обеспечивающих благоприятные и безопасные условия труда, сокращение энерго-, материальных затрат и удельной трудоемкости при производстве сельскохозяйственной продукции. По данным Министерства сельского хозяйства Астраханской области, в регионе по состоянию на 01.01.2013 г. функционирует 2 634 крестьянских (фермерских) хозяйства и индивидуальных предпринимателя, 278 сельскохозяйственных организаций, свыше 110 тыс. личных подсобных хозяйств населения, в пищевой и перерабатывающей промышленности задействовано более 47 крупных и средних предприятий. Приоритетной для области является отрасль растениеводства – 63,7 %, на долю продукции животноводства приходится 36,3 %. Рис является одной из традиционных злаковых культур Астраханского региона, входит в основной рацион питания населения в 39 странах мира, в основном в странах Азии, выращивается в 118 государствах, обеспечивает 35–59 % энергии, потребляемой 2 700 миллионами человек в Азии и 8 % – 1 000 миллионов – в Африке и Латинской Америке. От других злаковых культур рисовая крупа отличается сравнительно высоким содержанием незаменимых аминокислот и довольно низким – заменимых; по питательной ценности она превосходит другие хлебные злаки, зерновые культуры и корнеплоды. Питательная ценность белка обусловлена высоким относительным содержанием лизина (0,31 %) [2]. По данным ООО «Издательство Агрорус» [3], динамика экспорта отечественного риса-сырца в сентябре – декабре 2008–2012 гг. указывает на практически 17-кратный рост поставок зерна Российской Федерацией за последние пять лет. Укреплению цен на рис способствует общая ситуация на мировом рынке зерна, а также превышение потребления риса над производством [4]. В Астраханском регионе переработкой риса-сырца занимаются ООО «Астраханский рис»; ООО «Красноярский рис»; индивидуальное частное предприятие «Хечоян»; ООО «Рис» [5]. Следует отметить, что одним из крупнейших производителей зерновых культур в области и ведущим по производству риса является Камызякский район, на долю которого приходится более 40 % объема зерновых. Современный уровень жизни развитых стран обусловливает потребность в функциональных продуктах питания, спрос на которые интенсивно растет, расширяется ассортимент предлагаемых функциональных продуктов. Питательная ценность рисовой крупы широко известна: в 100 граммах содержится широкий спектр микроэлементов, витаминов и минералов, белков, жиров и углеводов, при этом калорийность продукта – не более 350 ккал. В ряде отечественных работ представлены результаты изучения биологически активных добавок (БАД), полученных в результате комплексной переработки крупы, например БАД из краснозерного риса; доказана высокая физиологическая активность БАД [6]. Между тем актуальными являются вопросы максимального сохранения питательной ценности крупы, изначально задаваемого достижения требуемых показателей готового продукта, что зависит от исходных характеристик риса-сырца, методов и режимов переработки. Следует отметить, что при применении традиционных методов шлифования рисового зерна удаляется плодовая оболочка и зародыш, являющиеся основными по содержанию микроэлементов и витаминов, белка, амилозы и липидов. Количество белка сокращается примерно в 3–4 раза (в зависимости от степени шлифования и сорта зерна) [7]. Отечественный рынок зерноперерабатывающей техники представлен десятками машиностроительных предприятий, в том числе ЗАО «ПКФ «Экспресс Агро», ООО «Мельагромашснаб», ООО «Технопорт», ООО «АгроСистемПрибор», ООО «Армавирский элеватормельмаш», ООО «Темп», ОАО «Воронежский НИИ комбикормовой промышленности» и пр. Следует отметить, что предлагаются в основном крупнотоннажные аппараты, использование которых неэффективно в условиях малых и средних сельскохозяйственных предприятий. Установки для малых производств сравнительно металло- и энергоемки, трудоемки в эксплуатации и обслуживании. Распространены аппараты, реализующие только один процесс (шлифование, шелушение, дробление). Анализ рынка импортных сушильных установок позволил выявить конкурентные изделия – большинство из них сравнительно малоэффективные, с неоправданно завышенной себестоимостью (Украина, Индия, Италия, Молдова, Китай, Колумбия и пр.). На основе результатов анализа научно-технической и патентной литературы установлены пять основных групп, на которые разделены принципы действия современных шелушильных и шлифовальных аппаратов [8–11]. 1. Зерно подвергают шелушению усилиями сжатия и трения между торцевыми поверхностями двух абразивных дисков (постава) или в зазоре между вращающимся валком и неподвижной декой. Отличие данных аппаратов состоит в траектории движения зерновок при шелушении и времени воздействия усилий на них. 2. Шелушение и шлифование происходят в результате продолжительного действия сил трения зерен между собой, а также их трения о рабочую поверхность абразивных дисков и перфорированной обечайки. 3. Зерна шелушатся с помощью многократно повторяющихся ударов и инерционных сил, что достигается посредством вращающихся бичей (лопастей), которые отбрасывают зерно на твердую поверхность, благодаря чему происходит разрушение и отделение оболочек, либо зерно разгоняется с помощью вращающегося диска и ударяется о неподвижную кольцевую обечайку. 4. Зерно шелушится исключительно в результате действия сил сжатия и сдвига, для чего используют пару обрезиненных (эластичных) валков, установленных с определенным зазором и вращающихся навстречу друг другу с различной окружной скоростью. 5. Зерно шелушится при помощи струи воздушного потока и в результате действия комплекса различных факторов (перепад давлений, разность скоростей, касательные силы, скачки уплотнений и др.), возникающих при обтекании продукта высокоскоростной (звуковой и сверхзвуковой) воздушной струей. Основные недостатки традиционной зерноперерабатывающей техники: - сравнительно низкая технологическая эффективность, ведущая к потерям цельной крупы (увеличение количества дробленого зерна); - сравнительно высокий удельный расход энергии на процесс шелушения, большая материалоемкость конструкции; - интенсивное изнашивание рабочих органов, необходимость постоянного контроля рабочих поверхностей, низкая удельная производительность процесса и пр.; - сложны в исполнении и обслуживании, в том числе не позволяют произвести настройку аппарата под заданные режимы переработки (например, при влажном зерне для сокращения выхода дробленой крупы); - аппараты гидродинамической очистки зерна эффективны в случаях, когда стоимость обрабатываемого сырья в сравнении с затратами энергии в несколько раз выше, а также когда иными средствами невозможно достигнуть требуемой эффективности. В целом предлагаемые конструкции зерноперерабатывающей техники эффективны в условиях крупнотоннажных производств, кроме того, при анализе литературных, научно-технических и конъюнктурных источников не выявлены аппараты с программируемым получением крупы, например оснащенные автоматизированной системой управления. В условиях малого крестьянского фермерского хозяйства многолетним экспериментально-поисковым методом велось создание аппарата по переработке риса-сырца. Экспериментально доказано, что для эффективного (высокоинтенсивного и качественного) получения рисовой крупы актуально использование принципа интенсивного трения зерна в зазоре между вращающимся вальцом и неподвижной перфорированной обечайкой. Установлено, что при рациональном соотношении длины и диаметра узла валец – обечайка и соответствующей частоте вращения вальца интенсифицируется процесс переработки и сокращается выход дроблёной крупы (рис. 1). Оснащение рабочей камеры специальными клапанами, создающими необходимое давление в ней, ввод в узел дополнительных ножей, расположенных вдоль обечайки внутри узла, и рациональное соотношение рабочих секторов по длине вальца при интенсификации процесса позволяют достигать высоких качественных показателей готового продукта. Установлено, что специальное исполнение перфорации на обечайках (чередование канавок и бугорков) позволяет зерну лучше «катиться» при обработке (скольжение с качением), тем самым равномернее очищаться, быстрее охлаждаться, при интенсивном удалении мучки, лузги, отрубей из рабочей камеры (рис. 1). Рис. 1. Схема узла очистки зерна (шелушения – шлифования) В результате воспроизведения многочисленных рационализаторских предложений нами создан макет аппарата, реализующий технологию высокоинтенсивного шелушения и шлифования, что позволяет существенно сократить вероятность дробления и некачественной обработки крупы. Макет состоит из нескольких узлов, смонтированных на станине: - шелушения зерна; - шлифования крупы; - сепарирования и очистки крупы от отходов переработки; - нагнетания воздушного потока. Привод осуществляется посредством ременной передачи от электродвигателя либо мобильного двигателя внутреннего сгорания. В результате создания макета опытным путем определены и применены новые рационализаторские предложения с учетом современных достижений науки и техники: - осуществлен выбор материалов, форм и размеров составных элементов (обечайки, ножи, шлифовальные камни, шнеки, рабочие камеры); - осуществлена компоновка узлов и агрегатов, сит, воздушных камер; - осуществлен выбор привода, соединительных элементов; - отработана технологическая цепочка шелушения и шлифования зерна. При исследовательских испытаниях макета установлено: - на максимальной мощности аппарат позволяет получить не менее 250 кг шлифованной рисовой крупы в час (рис. 2, а); - удельный выход дробленой крупы – не более 18 % от исходного зерна; - удельные энергетические затраты при малой материалоемкости и малых габаритных размерах сравнимы с аналогами; - доказана возможность переработки риса-сырца без предварительной очистки от соломы и сорных трав (рис. 3). Включения растительного происхождения (солома, «просянка» и пр.) в сравнении с зерном имеют более низкую твердость, в процессе переработки истираются в «муку» и удаляются с отходами переработки (мучкой (рис. 2, б) и отрубями); - достигается чистота крупы по ГОСТ 6292–93. а б Рис. 2. Продукты переработки риса-сырца: а – крупа рисовая, шлифованная; б – отход переработки риса-сырца – мучка В результате испытаний отмечена нерациональность расположения рабочих узлов, передач и органов управления, при эксплуатации – вибрация узлов, выброс отходов переработки в рабочую зону. Таким образом, для рациональной компоновки рабочих узлов с целью повышения функциональных характеристик аппарата, улучшения условий управления и эксплуатации необходима доработка технических решений и разработка системы аспирации отработанного носителя (воздуха). Рис. 3. Рис-сырец до переработки С целью оптимизации и интенсификации процессов очистки необходимо определение и моделирование закономерностей влияния основных режимных параметров на удельную производительность шелушения и шлифования зерна, а также на образование отходов переработки, изучение процессов сепарирования шелушеной, шлифованной крупы с отделением дробленого зерна и продуктов очистки. Необходим поиск и научное обоснование максимальных значений целевых функций (удельный выход шелушеной и шлифованной крупы, дробленой крупы, мучки) от основных влияющих режимных факторов, обоснование их диапазонов варьирования. С целью автоматического оперативного управления процессами очистки, обеспечения безопасности эксплуатации аппарата требуется разработка автоматизированной системы управления аппаратом. Для этого необходимо экспериментально-аналитическое определение и моделирование зависимости качественных характеристик производимой крупы от режимов переработки и характеристик нативного зерна путем комплексного исследования влияния режимов переработки на характеристики шелушеной и шлифованной крупы, что в последующем позволит получать крупу с требуемыми качественными показателями. Целесообразно определение и моделирование влияния режимов шелушения и шлифования зерна на макро- и микроэлементный состав и кормовую ценность отходов переработки (отруби и мучка) для последующей разработки рецептур комовых смесей и органоминеральных удобрений на основе отходов переработки зерна. Решение данных задач позволит установить рациональные режимы ведения процессов и интенсифицировать очистку при улучшении/сохранении требуемых качественных показателей крупы, а при последующей автоматизации процессов – осуществлять оперативное управление ими путем начального задания режимов очистки посредством программы ЭВМ. Выводы Таким образом, в условиях малого крестьянского фермерского хозяйства создан и испытан макет аппарата по переработке риса-сырца, экспериментально доказана эффективность технических решений с точки зрения удельной производительности, качества готового продукта, энерго- и материальных затрат. Однако для исключения недостатков, выявленных при испытаниях, необходимы поиск и научное обоснование рациональных технических и технологических решений. Дальнейшее изучение процессов очистки риса-сырца и доработка конструкции макета позволят создать: 1. Техническую документацию и мобильный аппарат для высокоэффективной безотходной очистки риса-сырца в условиях малых крестьянских и фермерских хозяйств, превосходящий традиционные аналоги по большинству параметров, включая низкую себестоимость. 2. Автоматизированную систему управления аппаратом, обеспечивающую: - ведение в автоматическом режиме процессов шелушения, шлифования крупы, переработки отходов очистки; - автоматическое сигнальное оповещение и отключение питания двигателей при нарушении работы узлов и в аварийных ситуациях (при превышении предельно допустимых параметров функционирования); - программируемое получение крупы с заданными физико-химическими, органолептическими, гранулометрическими характеристиками. 3. Технологию переработки отходов производства в комбикорма и конструкторское решение для её осуществления.
1. Chernyakov B. A. Konkurentosposobnost' agrarnogo sektora SShA: poleznyy opyt dlya Rossii / B. A. Chernyakov // Agrarnyy vestnik Urala. - 2009. - № 6 (60). - S. 6-12.
2. Kostylev P. I. Tehnologicheskie i biohimicheskie kachestva zerna risa / P. I. Kostylev // Zernovoe hozyaystvo Rossii. - 2009. - № 2. - S. 31-36.
6. Shazzo A. A. Innovacionnaya tehnologiya polucheniya BAD na osnove risa-zerna / A. A. Shazzo, E. P. Kornena, V. I. Martovschuk, A. P. Gyulushanyan, M. V. Ksenz / Novye tehnologii. - 2010. - № 4. - S. 57-61.
7. Shazzo A. A. Himicheskiy sostav i pischevaya cennost' shelushenogo obyknovennogo i krasnozernogo risa / A. A. Shazzo // Izv. vuzov. Pischevaya tehnologiya. - 2009. - № 2-3. - S. 117-118.
8. Gerrman H. Shnekovye mashiny v tehnologii / H. Gerrman. - L.: Himiya, 1975. - 232 s.
9. Grinberg E. N. Proizvodstvo krupy / E. N. Grinberg. - M.: Agropromidat. 1986. - 103 s.
10. Demskiy A. B. Oborudovanie dlya proizvodstva muki, krupy i kombikormov. Spravochnik / A. B. Demskiy, V. F. Veden'ev. - M.: DeLi print, 2005. - 760 s.
11. Chebotarev O. N. Tehnologii muki, krupy i kombikormov. Ser.: Tehnologii pischevyh proizvodstv / O. N. Chebotarev, A. Yu. Shazzo, Ya. F. Martynenko. - M.: MarT; Rostov n/D: MarT, 2004. - 688 s.
