Zbornik radova Fakulteta tehničkih nauka, Novi Sad

RAZVOJ I PROJEKTOVANJE SISTEMA ZA PRIPREMU VIŠEKOMP ONENTNE

ŽIVOTINJSKE HRANE U SUVOM I SAMLEVENOM STANJU

THE DEVELOPMENT AND DESIGN OF A SYSTEM FOR PREPARAT ION OF MULTI-COMPONENT ANIMAL FOOD IN DRY AND FRESHLY GROU ND STAGE

Marija Kara ć, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad

Oblast: INDUSTRIJSKO INŽENJERSTVO

Kratak sadržaj – U radu su prezentovani principi, metode i postupci rada u procesima pripreme i distribucije višekomponentne hrane u suvom i samlevenom stanju („premiksa“) za potrebe farmerskog uzgoja krupne stoke (goveda) i na tim osnovama projektovan je tehnološki sistem sa posebnim akcentom na njegovoj modularnosti i rekonfigurabilnosti, kao i obezbeđenju mogućnosti lakog, pouzdanog i bezbednog rukovanja i upravljanja sistemom u celini. Posebna pažnja je u radu posvećena delu sistema za automatizovano pakovanje za koji je izvršena detaljna inženjerska analiza.

Abstract – This paper presents the principles, methods and procedures work in the processes of preparation and distribution of multi-component food in dry and freshly ground state ("premix") for farm breeding herd (cattle) and on this basis is designed technological system with special emphasis on its modularity and reconfiguration capabilities, and providing an easy, reliable and safe handling and management system as a whole. Special attention was paid part of the system for automated packaging where a detailed analysis. Klju čne reči: proizvodnja životinjske hrane, sistemi za pripremu hrane, projektovanje, 3D modeliranje, analiza

1. UVOD

Savremena industrijska proizvodnja zahteva brzo prilagođavanje trendovima tržišta i promenama u uslovima proizvodnje. To podrazumeva brze promene proizvodnog programa i minimizaciju vremena za projektovanje, izgradnju i održavanje proizvodnog istema i njegovih delova. Projektovanje za proizvodnju predstavlja kompleksan i dug proces koji zahteva značajno ulaganje rada i vremena. U opštem slučaju, projektovanje proizvoda predstavlja niz aktivnosti kao što su: definisanje funkcije cilja i ograničenja, oblikovanje konceptualnog rešenja, izrada proračuna, modeliranje, konstruisanje, mehanička i simulaciona analiza, itd. _____________________________________________ NAPOMENA:

Ovaj rad proistekao je iz diplomskog-master rada Marije Karać pod naslovom Razvoj i projektovanje sistema za pripremu višekomponentne životinjske hrane u suvom i samlevenom stanju čiji mentor je bio dr Cvijan Krsmanović, red.prof.

Projektant, pri tome, mora na što efikasniji i racionalniji način doći do željenog modela uz zadovoljenje funkcionalnosti sistema, njegove cene, estetskog izgleda i bezbednosti pri rukovanju.

2. DEFINISANJE PROBLEMA

U proizvodnji životinjske hrane, komponente koje ulaze u sastav hrane zastupljene su sa većim ili manjim procentualnim učešćem. Bez obzira na njihovu zastupljenost, one su značajne, kako za zdravlje, tako i za prirast, kvalitet, boju mesa, jaja i drugo. U tehnologiji proizvodnje životinjske hrane uobičajena je podela komponenti prema masenom udelu u krmnim smešama na mikrokomponente i makrokomponente. To su osnovni gradivni sastojci hrane pored kojih se još dodaju premiks, so, aminokiseline i druge supstance čije učešće može da bude i vrlo malo, ponekada samo u tragovima. [1]

Sve komponente hrane za životinje su, u posmatranoj fabrici životinjske hrane, do sada ručno odmeravane i dozirane u mešalicu. Gotove krmne smeše su ručno odmeravane na samostojećem grlu za ručno pakovanje u vreće i te vreće su zatvarane ručnom šivaljkom.

2.1 Ciljevi investitora Jedan od ciljeva investitora je bio da se

makrokomponente koje su ranije ručno odmeravane i dozirane, automatski odmeravaju na šaržnoj vagi nosivosti 500 [kg] i preko odgovarajućeg pužnog transportera doziraju u mešalicu, čime bi se postigao bolji kvalitet hrane (jer se izbegava mogućnost greške koju čini čovek u procesu odmeravanja i doziranja). Korišćenjem silo-ćelija iz silosa i džambo vreća, preko pužnih transportera, doziranje makrokomponenti preko automatske šaržne vage treba da omogući svakodnevnu kontrolu utrošaka navedenih sirovina uz obezbeđenje kvalitetnijeg proizvoda, rentabilnije proizvodnje i smanjenje učešća ljudskog rada u pripremi krmnih smeša.

Cilj investitora je, takođe, bilo i obezbeđenje pouzdanijeg, fleksibilnijeg i efikasnijeg pristupa pakovanju gotovih krmnih smeša, automatskim odmeravanjem, doziranjem i pakovanjem na automatskoj ’pakerici’ u vreće od 25-50 [kg].

3. PROCES PROIZVODNJE HRANE ZA ŽIVOTINJE

Proizvodnja životinjske hrane, u posmatranoj fabrici, vrši se u industrijskom kompleksu u kome je prijem sirovina u rasutom obliku rešen preko prijemnog koša i silosnih ćelija za skladištenje žitarica, sojinog zrna i

sirovina u samlevenom i praškastom stanju. Uz silos je instalirana sušara za sušenje žitarica i sojinog zrna. Sam proces proizvodnje životinjske hrane realizuje se u posebnom objektu ( proizvodnoj hali ) čiji kapacitet iznosi 20 [t/h]. Uz postojeći objekat, u podnom skladištu biće instaliran zaseban pogon za proizvodnju hrane za ishranu goveda.

3.1 Opis tehnološkog postupka proizvodnje životinjske hrane

Na tehnološkom dijagramu (slika 1.) prikazan je tehnološki postupak proizvodnje hrane za ishranu goveda.

Samlevene komponente, kao i dodaci koji su u praškastom obliku, dolaze preko pužnog transportera do elevatora (poz. 1) koji komponente transportuje do dvokrake preklopke (poz. 2) iz koje se sirovine upućuju na okrugli šestodelni razdelnik iznad komponentnih ćelija u stari deo pogona ili na četvorodelni razdelnik (poz. 4) iz koga se samlevene komponente usmeravaju u ćelije za makrokomponente (poz. 5) i to u ćeliju I, II, III i IV. Napunjenost komponentnih ćelija kontroliše se preko gornjih pokazivača nivoa (poz. 6), a ispražnjenost ćelija evidentira se preko donjih pokazivača nivoa (poz. 7). Na osnovu rada pokazivača nivoa omogućen je i automatski rad i kompjutersko vođenje procesa proizvodnje hrane za životinje. Izuzimanje iz komponentnih ćelija (poz. 5) vrši se preko pužnih izuzimača (poz. 8) iz ćelija I, II, III i IV. Na svakom pužnom izuzimaču instaliran je pneumatski zatvarač (poz. 9) koji kod doziranja komponenti u šaržnu vagu (poz. 10) vrše zatvaranje izlaza iz pužnog dozatora i time obezbeđuje da se precizno mogu dozirati komponente. Odmeravanje makrokomponenti vrši se pojedinačnim izuzimanjem i odmeravanjem svake od komponenti iz ćelija I, II, III i IV, a čije doziranje se vrši regulisanjem brzine obrtaja motora preko frekventnog regulatora, čime se postiže maksimalna preciznost doziranja zadate težine svake komponente. Nakon

odmeravanja zadatih vrednosti vrši se pražnjenje šaržne vage pomoću pneumatskog zatvarača (poz. 11) u protivstrujnu mešalicu (poz. 13). Ručno odmerene komponente kao što su so, premiks, dikalcijum fosfat, kreda, lizin i druge komponente ručno se sipaju u mešalicu (poz. 13) preko usipnog mesta (poz. 12). Nakon formiranja šarže, započinje mešanje koje traje 6 minuta nakon čega se automatski otvara pneumatski zasun mešalice (poz. 14) i u roku do 20 sek. mešalica se isprazni u koš ispod mešalice (poz. 15). Smeša se pomoću pužnog transportera (poz. 17) doprema do elevatora (poz.18) koji smešu nosi do dvokrake preklopke (poz. 20), a potom u ćelije iznad peletirke (poz. 21). Ispražnjenost koša ispod mešalice (poz. 15) evidentira se preko donjeg pokazivača nivoa (poz. 16) koji daje signal pneumatskom zatvaraču (poz. 14) da može da se otvori nakon 6 minuta mešanja odmerene šarže. Peletiranje hrane vrši se na postojećoj liniji peletiranja na peletirci (poz. 24) uz dodatak tehnološke pare, pri temperaturi od 70-75°S. Tople pelete nakon izlaska iz matrice peletirke pomoću transportne trake (poz. 25) dolaze u vertikalni hladnjak (poz. 26) u kome se vrši hlađenje pomoću struje vazduha ventilatora (poz. 28). Čestice iz hladnjaka se izdvajaju u ciklonu (poz. 27) a preko vazdušne zaustave (poz. 29) se usmeravaju na sto za ‘uvrećavanje’ (poz. 30). Pelete pri izlasku iz hladnjaka prolaze kroz drobilicu peleta (poz. 31) gde se vrši drobljenje peleta, ili se valjci drobilice razmaknu pa pelete prolaze kroz drobilicu i idu na transportnu traku (poz. 32) koja pelete (ili drobljene pelete) dovodi do elevatora (poz. 33) koji materijal nosi na vibro sito (poz. 34) na prosejavanje. Propad sa sita se gravitacijom vraća u ćelije iznad peletrike (poz. 21) dok prelaz – pelete bez loma i prašine pomoću transportne trake (poz. 35) idu na dvokraku preklopku (poz. 36) koja vrši distribuciju peleta u ćelije (poz. 37) broj VII i VIII. Napunjenost ćelija za izdavanje gotove smeše kontroliše se preko gornjih (poz. 38) i donjih (poz. 39) pokazivača nivoa. Izdavanje smeše u sistem za automatsko pakovanje

Slika 1. Tehnološki dijagram pogona za proizvodnju životinjske hrane

u vreće vrši se otvaranjem pneumatskog zatvarača (poz. 40.0) na ćeliji broj VII za gotovu robu. Gotova smeša nakon izlaska iz ćelije broj VII pomoću pužnog transportera (poz. 41) dolazi u sabirni koš sistema za automatsko pakovanje. Napunjenost sabirnog koša sistema kontoliše se preko gornjih (poz. 42.1) i donjih (poz. 42.2) pokazivača nivoa. Startovanje rada pakerice (poz. 42) vrši se sa pripadajućeg komandnog pulta unošenjem željenih parametara. Doziranje se vrši regulisanjem brzine obrtaja motora preko frekventnog regulatora, čime se postiže maksimalna preciznost doziranja zadate težine. Na nasipni koš se postavlja vreća i pritiskom na mikroprekidač vrši se doziranje. Vreća transportnom trakom (poz. 43) dalje ide na šivaljku (poz. 44). Izdavanje smeše u vozila za transport u rasutom stanju vrši se otvaranjem zasuna (poz. 40.1) na ćeliji broj VIII. [2]

4. MODELIRANJE U OKRUŽENJU AUTODESK INVENTOR

Autodesk Inventor je programsko rešenje za parametarsko, solid modeliranje delova i sklopova. Parametarsko modeliranje omogućuje da se geometrijski model definiše skupom geometrijskih i dimenzionih parametara. Parametri predstavljaju promenljive veličine i svojim trenutnim vrednostima potpuno opisuju geometriju dela. Geometrijski parametri, pri tome, predstavljaju geometrijska ograničenja na modelu (paralelnost, normalnost...), dok su dimenzioni parametri dimenzije na modelu (dužine, prečnici, radijusi, uglovi...).

Ovaj programski paket sadrži modul za FEA analizu (metodu konačnih elemenata) koji je dizajniran da bude dovoljno moćan, ali i jednostavan za korišćenje. [3]

4.1 Modeliranje fabrike Na osnovu tehnološkog dijagrama, opisa tehnološkog

postupka, tehničko-tehnološke opreme, situacionog plana i rasporeda prostorija, u sklopu rada je izgrađen kompletan model buduće fabrike (slika 2.). Prikazi sa tog modela omogućuju investitoru kompletan uvid u raspored mašina i opreme na predviđenom prostoru. Postojeća oprema koju poseduje investitor modelirana je samo kao maketa (u stvarnoj razmeri), dok je kod opreme koja je predviđena da se instalira u sistem svaki element posebno modeliran, nakon čega je model sistema oblikovan po bottom – up (modularnom) principu. [4] Posebna pažnja posvećena je sistemu za mešanje životinjske hrane, koji je u celini realizovan na bazi tehničke dokumentacije generisane sa geometrijskih modela. Mešaonica (slika 3.) je realizovana u leto 2010., ali još uvek nije fizički ugrađena u sistem.

Slika 2. 3D Model sistema (fabrike) za proizvodnju životinjske hrane

Slika 3. Prikaz izvedenog stanja modula mešaonice

5. AUTOMATSKA PAKERICA

Sistem namenjen za automatizovano pakovanje prethodno pripremljene hrane za životinje je u fazi idejnog projekta koji je u programskom alatu Autodesk Inventor definisan do visokog stepena detaljnosti.

5.1 Opis rada sistema za automatsko punjenje i zašivanje vreća

U usipni koš se preko pužnog transportera sipa materija koja se dozira. Pogon transportne trake je preko frekventnog regulatora podešen na dve brzine, za grubo i fino doziranje. Na komandno-kontrolnom displeju zadaje se težina pakovanja kao i ostali parametri koji su važni za tačnost pakovanja. Zatim se na nasipni koš postavlja džak i pritiskom na mikroprekidač vrši se doziranje. Odmerena vreća se automatski otpušta na transportnu traku i prolazi kroz stabilnu šivaljku gde se vrši zašivanje vreća.

Elektronika omogućava automatsko tariranje vage. Zbog ugrađenih pneumatskih komponenti za rad uređaja neophodan je kompresor za vazduh. Svi delovi uređaja koji su u kontaktu sa materijom koja se pakuje su od nerđajućeg čelika.

5.1 Analiza naprezanja elemenata Autodesk Inventor sadrži modul (Stress Analysis) koji

omogućava izvršavanje strukturalne i modalne analize delova i sklopova definisanjem svih potrebnih parametara (materijala, opterećenja, ograničenja...).

Strukturalna anliza ukazuje na vrednosti napona, unutrašnjih sila i pomeranja koja se javljaju usled delovanja opterećenja. Ovom analizom se skraćuje vreme izvršenja proračuna, a greške koje mogu nastati prilikom projektovanja sistema svode se na minimum.

Analizom naponskih stanja i tipova deformacija komponenata sa najvećim eksploatacionim opterećenjima konstatovano je da se najveće opterećenje javlja na "L" nosaču elektronske šaržne vage.

Kao prikaz rezultata naponskog stanja dobija se grafički prikaz preko palete boja gde crvena boja ukazuje na oblasti najvećih napona (slika 5.). U ovom slučaju, maksimalni napon iznosi σ max = 28,11 [Mpa].

U zavisnosti od ulaznih veličina, metodom konačnih elemenata se mogu dobiti različiti rezultati koji približno predviđaju mesta gde se pojavljuju velika naprezanja.

6. ZAKLJUČAK

U radu je ostvaren osnovni cilj inženjerskog projektovanja - definisanje projektnih rešenja sa minimalnim mogućim ulaganjem rada i vremena, a da pri tome to rešenje zadovolji funkcionalnost, estetiku i bezbednosne kriterijume.

Rešenja i predlozi za unapređenje koji su izloženi u ovom radu su, zapravo, inženjerski prilog poboljšanju i daljem razvoju sistema za proizvodnju životinjske hrane.

4. LITERATURA

[1] Bekrić V., "Industrijska proizvodnja stočne hrane", Beograd 1999

[2] Lazarević R., Miščević B., Ristić M., Filipović S., Lević J., Sredanović S., "Sadašnjost i budućnost stočarstva i proizvodnje hrane za životinje u Srbiji", XI Međunarodni simpozijum tehnologije hrane za životinje, Zbornik radova 12-18, Vrnjačka Banja 2005

[3] Curtis Waguespack, Loren Jahraus, "Mastering Autodesk Inventor 2010", Wiley Publishing, Inc., Indianapolis, Indiana, 2009

[4] Krsmanović, C., Automatizacija projektovanja u industrijskom inženjerstvu, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 1997

Kratka biografija:

Marija Kara ć rođena je u Bečeju 1983. god. Diplomski-master rad na Fakultetu tehničkih nauka iz oblasti Industrijsko inženjerstvo – Industrijski sistemi odbranila je 2011.god.

Slika 4. Sistem za automatsko punjenje i zatvaranje (zašivanje) vreća

Slika 5. Prikaz Von Mises Stress polja