Содержание к диссертации
Введение
1. Технологии заготовки сенажа 6
1.1. Состояние вопроса 6
1.2. Технологии и комплексы машин для заготовки сенажа 21
2. Обоснование параметров и разработка рабочих органов машин для скашивания трав 25
2.1. Разработка косилки беспальцевой ПН-510 25
2.2. Разработка рабочих органов косилки-плющилки ПН-530 29
2.3. Разработка рабочих органов косилки валковой с кондиционером 32
2.3.1. Обзор конструкций кондиционеров 32
2.3.2. Обоснование параметров кондиционера 38
2.3.3. Обоснование значений параметров направляющего кожуха кондиционера 43
2.3.4. Технологическая схема и параметры кондиционера 48
2.3.5. Экспериментальное исследование кондиционера 52
2.3.6. Разработка валковой косилки с кондиционером 54
2.3.7. Лабораторно-полевые исследования кондиционеров и плющильных аппаратов 56
3. Обоснование параметров и разработка рабочих органов машин для ворошения и сгребания скошенных трав 62
3.1. Разработка рабочих органов ротационных граблей-ворошилок ПН-600
3.2. Разработка рабочих органов граблей универсальных ПН-610 67
4. Обоснование параметров и разработка конструкции рабочих органов кормоуборочного комбайна ПН-400 75
4.1. Обоснование конструктивной и технологической схем комбайна 75
4.2. Анализ транспортирования измельченной массы по силосопроводу 77
4.3. Разработка рабочих органов кормоуборочного комбайна ПН-400 86
5. Технико-экономический анализ комплексов машин для заготовки сенажа 92
5.1. Технико-экономический анализ комплексов машин 92
5.2. Реализация результатов исследований 97
Общие выводы 98
Список использованной литературы
- Технологии и комплексы машин для заготовки сенажа
- Разработка рабочих органов косилки-плющилки ПН-530
- Технологическая схема и параметры кондиционера
- Анализ транспортирования измельченной массы по силосопроводу
Технологии и комплексы машин для заготовки сенажа
Сенаж - корм, приготовленный из трав, убранных в ранние фазы вегетации, провяленных до влажности 45... 55% и сохраняемых в анаэробных условиях. Без доступа воздуха прекращается дыхание растительных клеток и устраняется возможность сильного нагревания растительной массы. На провяленной до указанной влажности массе слабо развиваются гнилостные и маслянокислые бактерии, что способствует ее сохранности. В сенаже образуется в основном молочная кислота - 78...95% от суммы всех кислот.
Впервые технология приготовления сенажа (провяленного силоса) и ее основы были разработаны во ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса в 1935... 1937 г.г. А. М. Михиным, который установил, что сохранение растительной массы при сенажировании обеспечивается главным образом недостатком влаги для развития вредных аэробных бактериальных процессов. Поэтому такое хранение, в отличие от обычного силосования, следует называть аутоконсервированием или самоконсервированием.
Сенаж и силос по качеству значительно отличаются друг от друга, что обуславливается специфически разными биохимическими процессами Важнейшим фактором, определяющим направление биохимического процесса при консервировании, является влажность растительной массы. При влажности 55% и ниже вследствие недостатка влаги затормаживаются биологические процессы и, прежде всего, вредные бактериальные процессы, что и обеспечивает сохранение корма.
При влажности массы свыше 58% протекает процесс силосования, при котором основным фактором, обеспечивающим сохранение корма, являются органические кислоты, образующиеся в результате жизнедеятельности бактерий из сахара. На основании исследовательских работ и производственного опыта институтом кормов в 1937 г. были разработаны основные требования к сооружениям, а также технология самоконсервирования, которая и в настоящее время является основной для заготовки сенажа. Война прервала работы А. М. Михина в этом направлении.
В послевоенные годы, а именно в 1960 г., большое внимание этому методу консервирования трав начали уделять в США, Англии и Канаде. Исследованиями в Белтовилле (штат Мерлинд, США) было установлено, что по своей питательной ценности сенаж уступает только свежим растениям и кормам, высушенным искусственным способом. Кроме более полного сохранения питательной ценности заготовка сенажа позволяет снизить затраты труда, так как процессы от скашивания зеленой массы до раздачи полученного корма животным возможно полностью механизировать. Провяленная измельченная зеленая масса более транспортабельна.
В целях установления эффективности заготовки сенажа в шестидесятые годы в Англии было обследовано 38 ферм, расположенных в различных частях страны.
Для заготовки сенажа применяли разнообразные кормоуборочные машины. Некоторые фермеры провяливали траву в прокосах без плющения и ворошения, другие проводили плющение или ворошение трав после скашивания. Следует отметить, что не на всех обследованных фермах заготовка сенажа оказалась эффективной. На ряде ферм был получен сенаж низкого качества, и значительно снижена продуктивность скота. Основными причинами заготовки сенажа низкого качества являются: несоблюдение технологии, неблагоприятные метеорологические условия, при которых было невозможным быстрое провяливание скошенной массы до необходимой влажности, воздухопроницаемость хранилищ.
В шестидесятые годы заготовка сенажа получила широкое распространение в ФРГ, Чехословакии, Голландии, Дании и других западноевропейских странах.
Исследования доктора У.О. Брауна (Ирландия), профессора Циммера (ФРГ), профессора Иванова (Болгария) и др. подтвердили высокую эффективность корма вследствие сохранности питательных веществ и высокой молокоотдачи животных.
В связи с целесообразностью широкого внедрения в сельскохозяйственное производство заготовки сенажа в эти годы на Западе наблюдается интенсивное создание и развитие производства необходимой для этой цели кормоуборочной техники: косилок-плющилок, граблей-ворошилок, кормоуборочных комбайнов.
При этом косилки-плющилки и кормоуборочные комбайны производятся в основном в прицепном варианте, но наряду с этим ведущими фирмами ведутся разработки, и осваивается производство самоходных косилок-плющилок и кормоуборочных комбайнов.
В настоящее время в Западной Европе превалирующей технологией заготовки кормов из трав является сенаж. Для его заготовки, вследствие высокой урожайности трав, в основном используются самоходные кормоуборочные комбайны высокой энергонасыщенности.
В СССР работы по обоснованию системы машин для комплексной механизации заготовки сенажа были начаты ВИСХОМом в 1966-1967 г.г. [1].
В рамках разработки проблемы решались задачи обоснования параметров комплекса машин для скашивания и провяливания трав до влажности 45...55%, а также обоснования типа и конструкций машин для подбора, измельчения и погрузки измельченной массы в транспортные средства.
Разработка рабочих органов косилки-плющилки ПН-530
Естественная сушка трав в полевых условиях приводит к значительным потерям питательных веществ вследствие неравномерности высыхания различных частей растений, стеблей и листьев. Одним из методов ускорения сушки трав в поле является их плющение непосредственно после скашивания. Для этой цели применяются косилки-плющилки. Распространенные конструкции этих машин имеют режущий аппарат, мотовило, плющильные вальцы и валкообразующее устройство, укладывающее срезанную массу в валок.
При ширине захвата машины до 3-х метров длина вальцов, как правило, равна ширине захвата режущего аппарата, при ширине захвата более 3-х метров длина вальцов меньше ширины режущего аппарата, а скошенная масса подается в вальцы после сужения ее шнеком. Разрабатываемая косилка-плющилка является составной частью комплекса машин «Простор» для заготовки сенажа, поэтому ее параметры по производительности и мощности образуемого валка должны обеспечивать согласованную работу всего комплекса, т.е. машина должна формировать валок мощностью (кг/п.м.), обеспечивающей производительную работу комбайна на подборе. Мощность валка зависит от ширины захвата косилки и урожайности трав. По методике расчета, предложенной докторами технических наук Барановым А.А. и Особовым В.И. [8], были определены основные параметры косилки-плющилки, обеспечивающие устойчивое выполнение технологического процесса при урожайности зеленой массы до 200 ц/га и рабочей скорости до 10 км/ч.
Косилка-плющилка прицепная ПН-530 (рис. 16) предназначена для скашивания сеяных трав с одновременным плющением стеблей срезанных растений и укладкой скошенной массы в валок. Без плющильных вальцов косилка может использоваться для кошения трав и укладки в валок без плющения. Косилка агрегатируется с колесными тракторами классов 0,9 и 1,4, с выносом жатвенной части в правую от трактора сторону по ходу движения. Привод рабочих органов косилки осуществляется от ВОМ трактора. Основными узлами машины являются: беспальцевый режущий аппарат, мотовило, шнек, плющильные вальцы с валкообразующим устройством, механизмы привода, ходовая часть. Технологический процесс осуществляется следующим образом. При движении агрегата по полю мотовило поднимает и подводит к режущему аппарату стебли растений, поддерживает их в момент среза и подает под шнек. Шнек сужает скошенную массу до ширины плющильных вальцов, которые, вращаясь навстречу друг другу, расплющивают, надламывают стебли и подают их в валкообразующее устройство, которое образует валок необходимой ширины.
В 1997г. косилка-плющилка проходила приемочные испытания на Владимирской и Подольской машино-испытательных станциях [9,10]. Лабораторно-полевые испытания проводились на кошении клевера красного, урожайностью 107 ц/га при влажности 77,6%, густота травостоя 332 шт/м . На этом же фоне проводились эксплуатационно-технологические испытания.
Косилка-плющилка качественно выполняет технологический процесс на скоростях до 8 км/ч. Коэффициент надежности технологического процесса 0,99. Полнота плющения 100%. Характеристика валка: высота -23,5 см, ширина 68... 136,6 см, линейная плотность 19,2 кг/м . Неравномерность линейной плотности 11,3%. Опыты по динамике сушки скошенной массы показали высокую эффективность плющения. Скорость влагоотдачи плющеной массы 0,81% в ч., а без плющения 0,47% в ч., что сказалось на качестве корма. Содержание каротина в конце сушки травы без плющения составило 54,6 мг/кг, с плющением 68,5 мг/кг. По сравнению с аналогом косилкой-плющилкой КПП-4,2, производимой заводом "Гомсельмаш" (Беларусь), она имеет лучшие показатели по качеству плющения и меньшую на 24% материалоемкость.
Плющильные вальцы, устанавливаемые на валковых косилках-плющилках, прокатывая между собой скошенную массу, раздавливают стебли, что ускоряет их влагоотдачу. На качество плющения влияет толщина слоя скошенной массы, подаваемой в вальцы. Она зависит от урожайности трав и соотношения ширины захвата косилки к ширине вальцов. Чем это соотношение больше, тем подаваемый слой травы толще. При прокатывании более толстого слоя хорошо плющатся растения, имеющие непосредственный контакт с вальцами. Стебли же, находящиеся внутри слоя, плющатся слабее. В связи с этим, плющильные вальцы качественно выполняют плющение массы при урожайности до 200 ц/га.
В последнее десятилетие ряд ведущих зарубежных фирм устанавливает на ротационных косилках, для интенсификации сушки скошенной массы, совершенно новые аппараты, получившие название кондиционеров, принцип работы которых заключается в динамическом воздействии на скашиваемые растения [11]. Аппарат динамического действия состоит из двух основных элементов: ротора, с закрепленным на нем билами, и направляющего кожуха, охватывающего переднюю часть ротора на некотором расстоянии. Технологический процесс обработки скошенных растений происходит следующим образом (рис.17). Растения, срезанные ножами ротационного аппарата, вносятся дисками роторов в зону действия бил кондиционера, движущихся навстречу скошенной массе, захватываются ими и протаскиваются через зазор, образованный внутренней поверхностью направляющего кожуха и поверхностью, образуемой траекториями, которые описывают крайние точки бил. Во время удара бил по массе, а также протаскивания ее через зазор, растения повреждаются и, благодаря высокой скорости, укладываются на поле во вспушенный легко продуваемый валок. Основными достоинствами конструкций кондиционеров динамического действия являются: компактность и значительно меньшая, чем у вальцовых плющильных аппаратов, материалоемкость. Влагоотдача скошенных растений при обработке бильным кондиционером интенсифицируется как за счет повреждения стеблей и нарушения их наружного воскового слоя, так и за счет значительного уменьшения плотности скошенной массы в валке.
В настоящее время ведущие фирмы сельхозмашиностроения «Casse», «JonnDeere» (США), «Claas» и другие производят около 100 моделей ротационных косилок, оснащенных кондиционерами динамического действия [11].
Можно отметить два основных направления в развитии кондиционеров динамического действия. К первому из них относятся кондиционеры, имеющие била V - образной формы и цилиндрический направляющий кожух, который для регулировки интенсивности обработки скошенной массы может устанавливаться в нескольких положениях (рис.17). Существуют два способа крепления бил к трубчатому валу ротора: шарнирный (рис. 18) и при помощи упругих элементов (рис. 19).
Шарнирный способ крепления бил является наиболее распространенным, так как имеет ряд достоинств: простота конструкции била, высокая надежность и хорошая ремонтнопригодность бильного ротора при повреждении его камнями или металлическими предметами. Аппараты с шарнирным креплением бил имеют несколько лучшие энергетические показатели, чем конструкции с упругим креплением рабочих органов. Однако масса бил и скорость вращения роторов должна быть несколько больше, чем у конструкций с упругим креплением бил.
Технологическая схема и параметры кондиционера
На основании проведенных исследований была разработана при участии автора косилка валковая с кондиционером ПН-535 (рис.29). Машина предназначена для кошения трав с одновременным повреждением стеблей, ускоряющим сушку трав, и укладкой убираемой массы на стерню в валок. Она агрегатируется с колесными тракторами тягового класса 0,9... 1,4, имеющими вал отбора мощности (ВОМ). Косилка в своем составе имеет: ходовую часть, корпус, сегментный режущий аппарат, мотовило, шнек, кондиционер, валкообразующее устройство и механизмы привода. По своему устройству она аналогична косилке-плющилке ПН-530. Отличие состоит в том, что вместо вальцов на косилке ПН-535 установлен бильный кондиционер. Он состоит из корпуса, ротора с билами и валкообразователя.
Корпус имеет регулируемую деку. Передний край деки (по ходу машины) установлен в корпусе шарнирно, за счет чего задний край может подниматься и опускаться, фиксируясь в трех положениях, благодаря чему регулируется интенсивность обработки скошенной массы. Ширина захвата косилки 3,6м.
Лабораторно-полевые испытания косилки проводились в опытном хозяйстве Владимирской МИС на кошении бобовых (клевер красный) и злаковых (овсянница + тимофеевка) трав. Фаза развития растений: бобовых - конец цветения, злаковых - полная спелость. Густота травостоя, шт/м : бобовых 408, злаковых 1496; средняя высота растений бобовых 51,6 см, злаковых 62,3 см. Урожайность бобовых 121 ц/га при влажности 81,7%, злаковых 57 ц/га при влажности 59,3%. Лабораторно-полевые испытания показали, что косилка валковая с кондиционером технологический процесс выполняет с высоким качеством. Полнота травмирования растений 97%, при агротехнических требованиях 80%.
Косилка валковая прицепная ПН-535 в 1999 г. проходила приемочные испытания на Владимирской МИС [20,21,22]. В результате испытаний установлено, что косилка качественно выполняет технологический процесс на скорости до 8,6 км/ч, формирование валков по ширине, высоте и плотности: ширина 121,3 см, высота 18,2 см, плотность 8,7 кг/м . Коэффициент надежности технологического процесса 0,99.
В 2000 г. валковая косилка с кондиционером ПН-535 освоена производством на ОАО «Тульский комбайновый завод».
С целью определения эффективности разработанной валковой косилки с кондиционером и влияния обработки, скошенных трав, кондиционером на качество кормов в опытном хозяйстве Владимирской МИС были проведены лабораторно-полевые исследования валковой косилки с кондиционером ПН-535 в сравнении с косилкой-плющилкой ПН-530. Косилки агрегатировались с тракторами МТЗ-82. В программу исследований входило: - определение механических потерь за кондиционером и плющильным агрегатом; - определение качества обработки скошенной массы (процент . травмирования); - параметры укладываемого валка; - динамика провяливания (сушки) скошенной массы; - определение питательной ценности корма. Определение всех показателей производилось в соответствии с ГОСТами [23;24;25;26;27;28]. Исследования проводились на бобово-злаковой смеси, в составе которой клевер красный составлял 70,8%, ежа сборная с тимофеевкой 27,5% и разнотравье (включающего в основном осот и ромашку) 1,7%. Выбор фона для исследований обосновывался целесообразностью обработки главным образом бобовых трав.
Урожайность трав в среднем составляла 131 ц/га при средней высоте растений 51,6 см. Густота травостоя 573 шт./м , полеглость до 31%. Растения находились в фазе конца цветения, начала созревания семян, в связи с чем влажность трав не превышала 65,6%. Почва дерново-подзолистая, рельеф ровный, влажность почвы в слоях: 0-5 см - 23%; 5-Ю см - 22,5%.
Из приведенных данных следует, что травмирование бобово-злаковой травосмеси кондиционером на 10,2% превышает аналогичный показатель по вальцовому аппарату. При этом плющение бобовых трав кондиционером было полным 100% (96,7 + 3,3), злаковых 85,5% (67,0 + 18,5), у вальцового аппарата 90,0% (81,0 + 9,0) и 74,1% (46,6 + 27,5) соответственно. Таким образом, по качеству обработки скошенной массы, кондиционер является более предпочтительным.
Виды потерь Без обработки Обработка вальцовым аппаратом Обработка кондиционером Общие потери к урожаю; в том числе:от повышенного среза режущимаппаратом косилкиот обивания листьев и соцветий 0,300,30 0,00 0,360,30 0,06 0,910,30 0,61 Потери от отбивания листьев и соцветий при обработке кондиционером в результате динамического воздействия превышают потери, возникающие при обработке вальцовым аппаратом, однако они не превышают значений агротехнических требований (2%), (табл. 5). Валок, образованный косилкой с кондиционером, более вспушенный, , чем валок, образованный косилкой-плющилкой. В первом случае ширина валка 119,3 см, высота 25,4 см, плотность 12,6 кг/м", вспушенность 24,8%, во втором - ширина валка 140,8 см, высота 19,4 см, плотность 19,6 кг/м , вспушенность 1,5%. Приведенные данные свидетельствуют о том, что плотность валка при обработке скошенной массы кондиционером в 1,55 раза меньше, чем при обработке валковым плющильным аппаратом. Это безусловно должно способствовать ускорению провяливания валка.
Скорость провяливания (сушки) растительной массы в полевых условиях зависит от метеорологических условий. Опыты по провяливанию проводились в течение светового дня при следующих метеорологических условиях: температура воздуха (С) в начале сушки 22,2 , в середине 18,6 , в конце 15,5; относительная влажность воздуха (%), в начале сушки 63%, в конце - 74%; скорость ветра (м/с) в начале сушки 4,5 м/с, в середине - 2,0 м/с, в конце - 1,0 м/с.
Графики влагоотдачи необработанной растительной массы, обработанной плющильными вальцами и кондиционером, приведены на рис.30. Интенсивность провяливания контролировалась на бобовой составляющей смеси (клевер красный).
Анализ транспортирования измельченной массы по силосопроводу
Привод рабочих органов комбайна осуществляется от вала отбора мощности трактора карданной передачей через распределительную коробку, представляющую собой многоступенчатый редуктор с реверсом, Распределительная коробка обеспечивает получение двух частот вращения нижних и верхних питающих вальцов. Это позволяет менять скорость подачи растительной массы в питающий аппарат в зависимости от условий уборки и требований к степени измельчения. Наличие реверса в распределительной коробке позволяет включить обратное вращение питающих вальцов со шнеком адаптера и производить очистку комбайна от забивания растительной массой. Поворотный силосопровод с двойным козырьком обеспечивает подачу измельченной массы в транспортное средство с минимальными потерями.
Экспериментальные исследования комбайна, проведенные на полях опытного хозяйства Тульского НИИ сельского хозяйства, подтвердили теоретические положения, заложенные в его конструкцию. Полученные показатели качества измельчения, пропускной способности и энергетические затраты соответствовали расчетным. В 1996г. комбайн проходил приемочные испытания на Владимирской и Подольской машиноиспытательных станциях с нашим участием [42,43]. Испытания комбайнов проводились в агрегате с тракторами МТЗ-82 и ЛТЗ-155 на трех фонах: подборе массы из валков, кошении клевера, кошении кукурузы и подсолнечника. На всех фонах комбайн обеспечивал чистый подбор и срез растений на установленной высоте режущего аппарата. Потери при подборе составили до 0,16%, на кошении клевера до 0,10%.
Качество измельчения на всех фонах превышает агротехнические требования к данному классу машин. Масса измельченных частиц длиной до 30 мм (в %) на кошение трав 87... 98%; на кошение кукурузы 85... 98%; на подборе подвяленных трав 80... 92% (агротребования 80% на подборе, 75% на кошении).
На подборе клевера по операциям масса измельченных частиц распределялась следующим образом; до 10 мм - 67,5%; 10,1..-20,0 - 10,5%; 20,1-30 - 8,0%; 30,1- 50 - 3,5%; 50,1 ...70 - 2,5%; т.е. 78% частиц до 20 мм. На кошении кукурузы с подсолнечником: до 10 мм - 70-75%; 10,1 ...20,0 -20%; 20,1...30,0-7%. Полнота сбора массы (в %) на кошении трав 99,9; на кошении кукурузы и подсолнечника 97,0; на подборе подвяленных трав 99,8. Пропускная способность комбайна в агрегате с трактором МТЗ-82 на подборе массы из валков влажностью до 54% достигает 6,0 кг/с, на кошении клевера влажностью 75% - 9 кг/с, что превышает требования технического задания.
На кошении кукурузы, при агрегатировании с трактором ЛТЗ-155, пропускная способность комбайна составила 14,3 кг/с.
По тяговым и мощностным показателям трактор МТЗ-82 в агрегате с кормоуборочным комбайном ПН-400 обеспечивает устойчивое выполнение технологического процесса с производительностью: на подборе клевера до 20,2 т/ч; кошении клевера до 25,5 т/ч; кошении кукурузы до 16,2 т/ч. С трактором ЛТЗ-155 на кошении кукурузы до 40,6 т/ч. При проведении эксплуатационно-технологической оценки установлено, что комбайн качественно и устойчиво выполняет технологический процесс со всеми сменными рабочими органами.
По конструктивным, технологическим и экономическим показателям кормоуборочный комбайн соответствует современному техническому уровню. От аналога прицепного кормоуборочного комбайна КГШ-2,4 (Украина) он отличается механизмами привода, передающими больший крутящий момент, что позволяет его агрегатировать с тракторами более высокой энергонасыщенности, большей шириной захвата жатки для уборки трав и подборщика, двухзвенным силосопроводом, конструкцией кожуха измельчающего аппарата, сницы и ряда других элементов, а также современным дизайном.
Производство кормоуборочного комбайна ПН-400 освоено Тульским комбайновым заводом в 1997 г. Материалы главы позволяют сделать следующие основные выводы: 1. Разработана и подтверждена практическими исследованиями математическая модель, описывающая транспортирование измельченной массы по силосопроводу кормоуборочного комбайна. 2. На основе анализа модели установлено, что для обеспечения максимальной скорости транспортирования измельченной массы по силосопроводу, ножи на барабане должны быть расположены V-образно по отношению к образующей клином назад против направления вращения барабана, а лопасти отклонены назад относительно радиуса по направлению вращения барабана. В целях определения эффективности комплексов машин для заготовки сенажа, базовая машина которых кормоуборочный комбайн ПН-400, был проведен технико-экономический анализ двух комплексов. Первый комплекс включает в себя косилку-плющилку ПН-530 и комбайн ПН-400; второй - косилку ПН-510, ротационные грабли-ворошилку ПН-600 и комбайн ПН-400 [44]. - Расчет производился для работы комплексов при благоприятных погодных условиях, в связи с чем операции по оборачиванию валка при использовании первого комплекса и ворошению скошенной травы в прокосе при использовании второго комплекса не учитывались. Исходными данными для расчетов были приняты показатели технических заданий на машины (табл. 7).
В результате расчетов для каждого комплекса были определены эксплуатационные и приведенные затраты, трудовые затраты и материалоемкость на одну тонну заготавливаемого сенажа (табл.8).
