Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор существующих технологий и средств механизации заготовки сенажа.Постановка задач исследования 8
1.1. Удельный вес и место сенажа в кормовом балансе отрасли.Требования к качеству 8
1.2. Пооперационный анализ существующих технологий заготовки сенажа и сравнительная их оценка 12
1.3.. Пути улучшения технологической схемы заготовки сенажа 23
1.4. Обзор и анализ экспериментальных и теоретических работ,посвященных исследованию процесса уплотнения волокнистых материалов 33
1.5. Выводы по I главе и задачи исследования 40
2. Теоретические предпосылки к определению энергетических показателей процесса уплотнения сенажной массы 42
2.1. Выбор и обоснование конструктивной схемы пресса 42
2.2. Зависимость давления от деформаций уплотняемой массы и распределение давлений вдоль камеры прессования 44
2.3. Диаграмма процесса трехступенчатого прессования сенажной массы 59
2.4. Работа,затрачиваемая на процесс трехступенчатого уплотнения 62
2.5. Выводы по 2 главе 65
CLASS 3. Программа и методика экспериментальных исследований 6 CLASS 6
3.1. Программа экспериментальных исследований 66
3.2. Методика экспериментальных исследований 66
3.2.1. Методика моделирования процесса уплотнения сенажной массы прессованием 66
3.2.2. Устройство и работа лабораторных установок 69
3.2.3. Измерительные и регулирующие приборы и аппаратура 76
3.2.4. Методика проведения лабораторных и полевых исследований 78 CLASS
4. Результаты экспериментальных исследований 93 CLASS
4.1. Физико-механические свойства сенажной массы 93
4.2. Энергетические показатели процесса уплотнения сенажной массы 100
4.3. Выявление наиболее значимых факторов,влияющих на энергоемкость процесса трехступенчатого уплотнения сенажной массы 103
4.4. Обоснование основных параметров сенажного пресса 107
4.5. Анализ выбранной математической модели процесса трехступенчатого уплотнения сенажной массы 114
4.6. Сравнительные энергетические затраты при различных способах закладки сенажной массы в траншеи 119
4.7. Выводы по 4 главе 121
5. Результаты хозяйственных испытаний экспериментального пресса и технико-экономические показатели заготовки прессованного сенажа в хранилищах траншейного типа 123
5.1. Устройство,работа и результаты хозяйственных испытаний экспериментального пресса 123
4 5.2. Расчет технико-экономических показателей заготовки прессованного сенажа в хранилищах траншейного типа 132
Основные выводы и рекомендации 139
Список использованных источников 141
- Удельный вес и место сенажа в кормовом балансе отрасли.Требования к качеству
- Выбор и обоснование конструктивной схемы пресса
- Методика моделирования процесса уплотнения сенажной массы прессованием
- Физико-механические свойства сенажной массы
Введение к работе
В принятых на ХХУІ съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" отмечено, что неотложной задачей является коренное улучшение кормопроизводства и удовлетворение потребностей в кормах общественного животноводства, а также скота и птицы, находящихся в личной собственности граждан. Завершить разработку и приступить к реализации комплексной программы по созданию в,стране надежной и сбалансированной кормовой базы животноводства.
Материалами майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС предусмотрено обеспечить производство кормов в стране в 1985 году в количестве. 500 млн. тонн и в 1990 году - 540...550 млн.тонн кормовых единиц. Разработка и внедрение технологий производства высококачественных кормов на естественных угодьях и на пахотных землях, обеспечивающих получение.с одного гектара 10...15 тыс. кормовых единиц при орошении и 5...6 тыс. кормовых единиц без орошения, а также технологических процессов консервирования зеленых кормов, позволяющих сохранить не менее 90% питательных веществ.
В постановлении правительства СССР "О мерах по увеличению производства и повышению качества кормов" намечено довести.к 1985 году заготовку сена до 80 млн.тонн, силоса до 274 млн.тонн, сенажа до 77 млн.тонн, витаминной травяной муки и других искусственно обезвоженных кормов до 10 млн.тонн, брикетированных и гранулированных кормосмесей до 14 млн.тонн. Предусматривается увеличить поставку сельскому хозяйству высокопроизводительной техники для заготовки и переработки кормов, консервантов, полимерной пленки, силосных и сенажных сооружений, химических средств, обеспечивающих сохранность и повышающих питательную ценность кормов.
Из этого следует, что кормопроизводство из слаборазвитой отрасли, каким оно было До последнего времени, становится одной из ведущих отраслей сельскохозяйственного производства, на базе которой будет развиваться животноводство.
В отчетном докладе ХУ съезду Компартии Казахстана отмечалось, что . ., для дальнейшего подъема животноводства необходима прочная кормовая база. По сравнению с девятой пятилеткой в республике увеличилась заготовка сена и сенажа почти на четверть, а силоса - в полтора раза... Перед нами стоит задача довести к 1985 году производство сена до 16 миллионов и силоса - до 25,7 миллионов тонн. Чтобы не зависеть от капризов природы, во всех хозяйствах надо иметь переходящий запас разнообразных кормов" [4] .
По расчетам специалистов, для того чтобы обеспечить намечен-ное "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" производство животноводческой продукции, необходимо увеличить в стране объемы заготовок всех видов кормов примерно на 20...25$ [5,б] .
Одним из перспективных способов заготовки кормов, позволяющих получить продукцию высокого качества с низкими потерями питательных веществ и удовлетворяющих физиологическим потребностям животных, считается уборка подвяленных до влажности 45...55$ трав на сенаж, заготавливаемый в основном из люцерны, повсеместно получившей широкое распространение. Ценность сенажа заключается еще и в том, что в отличие от силоса он является не кислым, а пресным кормом и таким образом, не оказывает отрицательного влияния на. физиологическое состояние животных при длительном скармливании.
Однако, используемые на практике заготовки сенажа технологии имеют ряд существенных недостатков, определяемых в основном несовершенством способа и средств механизации, способствующим к снижению качества и значительным потерям при закладке и хранении, высокой себестоимости корма и энергоемкости процесса.
В работе обоснована рациональная технология закладки и хранения сенажа в прессованном виде в хранилищах траншейного типа или в штабелях.
Предложена новая конструктивная схема сенажного пресса для формирования прямоугольных крупногабаритных тюков путем однократного последовательного уплотнения измельченной массы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Для предложенной конструкции получены аналитические зависимости удельных энергетических показателей процесса уплотнения от параметров камеры прессования и свойств материала. Определены физико-механические свойства сенажной массы, влияющие на энергоемкость ее прессования. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс уплотнения массы по удельным энергетическим показателям и обоснованы параметры установки.
Использование предлагаемой технологии позволит снизить прямые издержки и затраты труда при заготовке сенажа, уменьшить потери и повысить питательную ценность корма. Работа выполнена в соответствии с координационным планом ШИТ СССР по теме: 0.сх.Ю2.01.в "Обосновать и разработать систему машин для механизации, электрификации и автоматизации заготовки и хранения кормов на животноводческих фермах и комплексах на 1986...1995 гг."
Удельный вес и место сенажа в кормовом балансе отрасли.Требования к качеству
Разработка научной теории, объясняющей принцип консервирования растений с пониженной влажностью, принадлежит А.М.Михину. Ранее предполагалось, что основным консервирующим фактором при хранении растений с пониженной влажностью в условиях герметически за-кштых силосных сооружений является углекислый газ.А.М.Михин в 30-х годах нашего века, работая во Всесоюзном НИИ кормов, доказал, что консервирующим фактором является не углекислый газ, а физиологическая сухость растительной массы, исключающая возможность развития бактериальных процессов [ 7] .
Однако,долгое время после раскрытия сущности консервирования подвяленной массы заготовка сенажа не находила широкого распространения в производственных условиях из-за отсутствия высокопроизводительных машин для выполнения технологических операций и герметических хранилищ,предотвращающих доступ воздуха в толщу консервируемой массы.
Внедрение этого метода консервирования корма в нашей стране датируется началом семидесятых годов с заметным ростом его производства в последующие годы.
Интенсивный рост объема заготовки сенажа объясняется тем,что этот вид корма обладает большой питательной ценностью.В результате исследований [7,8,9] выяснилось,что питательность I кг сенажа достигает 0,4.,.0,45 к.ед.
Как уже отмечалось, щ5и консервировании провяленной травы консервирующим фактором является не концентрация водородных ионов рН, как при силосовании,а физиологическая сухость среды.Такой корм может быть использован в качестве основного источника грубого корма в рационе жвачных животных.
Сравнение показателей качества различных грубых кормов показывает,что по всем 3-м классам характеристик качества кормов (ГОСТ 23637-79,23638-79,4808-75) сенаж имеет более высокие показатели по сравнению с силосом и сеном.ато относится к содержанию сырого протеина и каротина,являющихся основными показателями питательной ценности корма Г10 ] .
Важной оценкой,определяющей качество корма,наряду с содержанием в нем питательных веществ,является усвояемость корма животными «Именно этот показатель определяет продуктивность животных и качество животноводческой продукции.
Например,при кормлении коров сенажом молочная продуктивность оказалась выше на 11%,чем при использовании силоса из слегка подвяленной травы,и на 24...52% выше,чем при кормлении коров сеном искусственной пли полевой сушки [ II ] .
Питательность сенажа,его поедаемость и продуктивное действие во многом определяется качеством исходного материала.К уборке бобовых трав на сенаж следует приступить в фазе бутонизации, а злаковых - трубкования,но не позднее колошения.В этом случае питательность сенажа составит не мене,е 0,85 к.ед. в I кг сухого вещества, при содержании 100...140 г перевариваемого протеина [7,10,12] .
Запаздывание со сроками скашивания приводит к накоплению в массе клетчатки и ухудшению питательной ценности корма.
Заготовка сенажа предполагает переход к многоукосному использованию многолетних трав благодаря консервированию растений при более высокой влажности,чем при заготовке сена.Это дает возможность сократить время провяливания скошенной травы в поле по сравнению с сушкой сена и тем самым получить дополнительные укосы с имеющейся площади.Такая технология обеспечивает не менне 2...3, а в южных поливных районах - 5...6 укосов люцерны.
Для получения сенажа травы должны быть провялены до влажности: бобовые - 45...55%, злаковые - 40...55%. Провяливание травы до оптимальной влажности связано с неизбежными потерями, которые прямо пропорциональны времени полевой сушки.
За I...2 суток провяливания люцерны после скашивания потери сухого вещества составляют 4,4%, сырого протеина - 7,5%, за 3 суток - 9,5 и 22,за 4 суток - 15 и 26% соответственно [із] .
Кратковременное подвяливание в течение дня,как и при сушке зеленых культур,приведет к потере всего 1...2% сухого вещества, но после трех дней потери возрастут по меньшей мере вдвое [14] .
Согласно ГОСТ 23637-79,регламентирующему требования к заготовке сенажа, и агротребованиягл к режущим аппаратам подборщиков измельчителей, не менее 80% частиц от общего веса массы должны иметь длину до 30 мм. Фактически при консервировании корма в башнях длина резки составляет 25...30 мм, а в траншеях - 60...70 мм [10,15,16] .
Механические потери при подборе и погрузке не должны превышать 2% [15] .
На качество сенажа большое влияние оказывает продолжительность заполнения и тщательность герметизации хранилища. Если недостаток влаги ограничивает процессы брожения, то недостаток кислорода снижает интенсивность окисления питательных веществ корма. При условии герметического хранения растительной массы, имеющийся в ней кислород поглощается за 4...5 часов, а выделяемый углекислый газ сдерживает окислительные процессы. Поэтому, качественный сенаж возможно получить лишь при условии быстрого заполнения хранилища и немедленной его герметизации.
Траншей с высотой стен 3,5...4 м заполняют не более 4 дней, а при высоте стен 2,5 м - не более 2 дней. Температура внутреннего слоя при заполнении траншей не должна превышать 37 С; если она увеличилась, ускоряют процесс закладки и усиливают трамбовку. Срок заполнения башен до 4 дней [15,17,18] .
Выбор и обоснование конструктивной схемы пресса
Анализ данных известных теоретических и экспериментальных исследований, посвященных процессам прессования, брикетирования и гранулирования различных материалов,показывает,что одним из основных критериев оптимальности процесса прессования является его энергоемкость. Увеличение плотности ведет к повышению энергоемкости уплотнения. С этой точки зрения для поршневых прессов более рациональным являются схемы прессования в закрытой камере. Исследованиями Особова В.И. и других [47,48] установлено,что энергоемкость таких прессов в 2...2,5 раза ниже,чем прессов с открытой камерой.
Анализ схем уплотнения в закрытой камере (рис.2.1) показал, что наиболее рациональным является последовательное трехстороннее уплотнение во взаимно перпендикулярных направлениях в камере кубической формы с равными относительными деформациями по направлениям уплотнения 8 = 8 =85
Для упрощения дальнейшего изложения понятие "последовательное трехстороннее уплотнение во взаимно перпендикулярных направлениях" заменяем термином "трехступенчатое прессование".
Достоинства трехступенчатого прессования заключаются в следующем:
1. В отличие от существующих прессов с порционной подачей и сжатием материала, по принятой схеме в камеру прессования загружается весь объем массы формируемого тюка и производится его последовательное однократное сжатие.При этом исключаются затраты энергии на преодоление многократных упругих расширений материала.
2. При однократной схеме заполнения камеры прессования наименьшую площадь поверхности имеет камера кубической формы. Это обуславливает меньшую металлоемкость пресса.
3. Однократным последовательным прессованием в трех взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивается равномерное распределение плотности по объему тюка.
4. Формирование кубических тюков снижает расход шпагата на их обвязывание; такие тюки наиболее удобны при укладке в хранилища .
5. Принятая схема уплотнения наиболее рациональна в отношении конструктивного исполнения пресса.
С целью определения зависимостей энергетических показателей уплотнения сенажной массы от ее физико-механических свойств и от параметров камеры прессования были проведены теоретические исследования процесса трехступенчатого прессования материала. При этом предусматривалось установление зависимостей: - давлений по ступеням прессования от деформации уплотняе PL = JCSL); мои массы - распределения давлений в уплотненной массе вдоль камеры прессования p. fOJ , fy = $(hl) ; - удельной работы прессования по каждой ступени и в целом где \j - 1,2,3 - ступени прессования. На рис.2.2 дана общая схема процесса трехступенчатого уплотнения сенажной массы.
В отличие от существующих, предлагаемая нами схема работы пресса обладает рядом особенностей.
Во-первых, процесс уплотнения осуществляется последовательно в трех взаимно перпендикулярных направлениях в камерах с различ ными площадями поперечных сечений.
Во-вторых, хотя плотность материала в процессе сжатия возрастает непрерывно,рост удельных давлений на поршни происходит ступенчато,При пояседующей ступени на поршень действует предва о рительная нагрузка от предыдущей ступени.
Экспериментальными исследованиями,проведенными нами,установлено ,что уравнение сжатия (I.13),полученное Особовым В.И.,недостаточно для описания трехступенчатого уплотнения материалов. Необходимо весь процесс прессования рассматривать как состоящим из трех взаимно связанных частей (ступеней).
Методика моделирования процесса уплотнения сенажной массы прессованием
Экспериментальные исследования процесса уплотнения сенажнои массы прессованием на установках в натуральную величину связаны с большими трудностями . Например, для получения сенаж-ного тюка размерами Ixlxl м3 при плотности 600...800 кг/м3 не обходимы: 600...800 кг измельченной массы при"№ =50...60 , технические средства для перевозки и загрузки этой массы в пресс. При этом опыты должны проводиться с несколькими довтор-ностями и при различных параметрах процесса прессования и физико-механическом состоянии уплотняемой массы.
Выходом из этого положения может служить моделирование,основой которого является подобие явлений по ряду признаков [94, ...,9б] .
При моделировании процесса уплотнения сенажной массы прессованием рассмотрим следующие основные параметры, влияющие на этот процесс: V - скорость прессования, м/с; tf - плотность прессования, кг/м3,С,СХ - коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств уплотняемого материала, Па м3/кг; К0 на чальная плотность (насыпная), кг/м3; р - удельное давление прессования, Па; о - длина резки, м; О площадь поперечного сечения камеры прессования, м ; w - влажность; & - относительная деформация; 4 - коэффициент трения материала о стенки камеры и М. - коэффициент бокового давления при разгрузке. Между этими величинами существует некоторая функциональная зависимость которая согласно $С - теореме может быть представлена в виде зависимостей между критериями подобия [63, 97, 98] .
Для перехода к определению критериев подобия [97, 98] выбираем в качестве основных единиц V [м/с] , tf [кг/м3] и. І, [м] с 3-мя основными единицами измерения [м], [L] и [т] . Согласно теорий подобия и размерностей из (3.1) определяем критерии подобия Согласно теории подобия и размерностей необходимым и достаточным условием подобия двух систем является равенство любых двух соответствующих критериев подобия этих систем [97,98] .
Рассматривая подобие критериев (3.2,..,,3.10), можно сделать вывод о том, что для моделирования процесса уплотнения сенажнои массы прессованием необходимо и достаточно приближенного геометрического подобия натуры и модели.
Исследуя закономерности уплотнения соломы в камерах различных сечений, Васильев Ю.А. [77] делает вывод о том, что увеличение сечения камеры целесообразно лишь до того- значения, при котором стебли соломы при их подаче в камеру будут укладываться горизонтально, дальнейшее увеличение сечения камеры не изменяет модуль деформации соломы.
В связи с тем, что сенажная масса имеет длину резки намно го меньше размеров камеры, то исходя из условий экономичности и удобства коэффициент геометрического подобия выбираем равным
Устройство. Для экспериментальных исследований процесса уплотнения измельченной сенажной массы была изготовлена лабораторная установка-гидравлический пресс трехступенчатого прессования (рис.3.1). Основой для создания установки послужили результаты моделирования процесса прессования.
Лабораторная установка состоит из трех основных частей: прессовальной камеры, гидравлической системы и привода.
Камера прессования 12 закрытого типа размером 455х455х 700 мм имеет загрузочное окно 13, выгрузное окно с камерой обвязки и дверь снабженную эксцентриковыми замками 10. Рабочий объем камеры 450x450x450 мм, а размеры камеры в конце прессования (размеры тюка ) - 250x250x250 мм.
Процесс прессования осуществляется тремя поршнями прямоугольного сечения, движущимися по трем ортогональным:1 осям. Размеры поршней I, П и Ш ступени пресса - 450x450 и 245 х450, 245x245 мм. Привод поршней от гидроцилиндров.
Гидравлическая система установки включает: 3 силовых гид-роцилиндра 8, 11,,14 с диаметром поршней 80 мм и ходом штоков 320,450 и 800 мм, распределитель 6, марки Р-75, манометр 5 для визуального контроля давления в системе 0БМГн1-160, шестеренчатые насосы 7, марки ШІ-32 и НШ-10, масляный бак 3 и рукава высокого давления.
Физико-механические свойства сенажной массы
Остаточное боковое давление 01 (МПа). Остаточные боковые давления О и усилия выталкивания тюков из камеры прессования г5 были определены для измельченной люцерны и =30...50 мм, исходной влажности "W =30,45 и 60% для тюков конечной плотностью X =300, 400, 500, 600 и 700 кг/м3.
Эксперименты были проведены на лабораторном одноступенчатом гидравлическом прессе (см.гл.3.2.2). На рис.4.1 и 4.2 показаны зависимости остаточного бокового давления 01 и усилия выталкивания Рв от плотности прессования Ъ для влажности массы "W=30,5, 46,5 и 60,4%.
Из рис.4.1 видно, что остаточное боковое давление С 0 с увеличением плотности возрастает. При изменении плотности tt = 300...700 кг/м3 имеем С =0,01,..0,085 МПа. Изменение влажности исходной массы в пределах УН =30...60% на значение коэффициента 01 влияет незначительно.
Увеличение коэффициента ОТ при повышении плотности приводит к возрастанию усилия выталкивания гб (рис.4.2). Кроме того, из графика (рис.4.2) видно, что-, при влажности менее 45% рост усилия прессования с увеличением плотности происходит более интенсивно, чем при УН =45...60%. На наш взгляд, это объясняется изменением коэффициента трения -f с изменением влажности массы.
Коэффициент трения измельченной люцерны по стала -Р Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициента трения измельченной люцерны о стенки камеры прессования для влажности W =30...60$ и плотности прессования tf =300...700 кг/м3 приведены на рис.4.3. Анализ экспериментальных данных показывает, что коэффициент трения J при "W =30$ находится в пределах і =0,21... 0,45, а при W =45...60$ - =0,11...0,21.
Уменьшение коэффициента трения -Р при увеличении влажности "W происходит из-за образования жидкостной пленки между прессуемым материалом и стенкой камеры прессования.
С увеличением плотности коэффициент трения -f уменьшается. При более высокой влажности массы ( "W =45...60$) интенсивность уменьшения менее выражена, чем при низкой влажности ("W =30$). Это явление можно объяснить тем, что при более высокой влажности между прессуемой массой и стенкой камеры прессования образуется жидкостная пленка достаточной толщины, увеличе-. ние которой, из-за увеличения плотности прессования, оказывает меньшее влияние на f , чем при более низкой исходной влажности массы (рис.4.3).
Коэффициент бокового распора 8 . В результате обработки осциллограмм была установлена зависимость 4x=f Рх ЛРИ исходной влажности массы "W =29,35, 44,2 и 59,45$ и плотности прессования до Ъ =700 кг/м3. Опыты показали, что зависимость CI =-С(рх) является линейной, т.е. С(гХ=рх , отсюда =tgo(.
Коэффициент бокового распора при изменении влажности "W = 30...60$ для измельченной люцерны находится в пределах 6 = 0,183...0,22. Результаты эксперимента приведены в приложении I.
На рис.4.4...4.9 показаны графики зависимостей Я = (рх) и р = -С (_tf) при одноступенчатом прессовании измельченной люцерны влажностью массы "W =29,35, 44,2 и 59,35$ и длиной рез Коэффициент бокового давления при разгрузке , Коэффициент бокового давления при разгрузке м. для измельченной люцерны ( ь =30...50 мм) в пределах изменения плотности прессования U =300...700 кг/м3 и исходной влажности Ж =30...60% равен Мл =0,08...0,13 (приложение 2).
В результате экспериментальных исследований процесса последовательного трехстороннего уплотнения сенажной массы на лабораторной установке (см.гл.З, рис.3.1), были получены экспериментальные зависимости удельного давления прессования р от плотности Я , для влажности массы "W =30...60% (рис.4.10... 4.12).
По экспериментальным кривым методом наименьших квадратов были подобраны аппроксимирующие их зависимости и определены численные значения коэффициентов "а" и "С", характеризующие сопротивление материала уплотнению.
Коэффициенты "а" и "С" измельченной люцерны длиной резки Ъ =30...50 мм при плотности прессования до 700 кг/м3 для влажности "W =30, 45, 60% соответственно равны: 3,58 .10 3, 4,27-Ю""3, 4,04-Ю"3 м3/кг и 0,155, 0,085,0,091 МПа.
Данные экспериментальных исследований (приложение 3) хоро шо согласуются с теоретическими, что подтверждает правомерность теоретических предпосылок и полученных зависимостей определяющих удельные энергетические показатели процесса (см.гл.2).
